DE102005063537B4 - Hartstoff - Schichtsystem - Google Patents
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Abstract
Hartstoff-Schichtsystem, umfassend abwechselnd abgeschiedene Schichten A und B, wobei
• die Schicht A die Zusammensetzung der Formel 1 (Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc) [worin 0,4 ≤ x ≤ 0,8, 0 ≤ y ≤ 0,6, 0 ≤ a ≤ 0,15, 0 ≤ b ≤ 0,3, 0 ≤ c ≤ 0,1 und M ein oder mehrere Metallelement(e), ausgewählt aus der Gruppe 4A, 5A, 6A und Si, ist] aufweist,
• die Schicht B eine Zusammensetzung aufweist, die aus einer von
Formel 2: B1-x-yCxNy [worin 0 ≤ x ≤ 0,25 und B/N ≤ 1,5],
Formel 3: Si1-x-yCxNy [worin 0 ≤ x ≤ 0,25 und 0,5 ≤ Si/N < 2,0],
Formel 4: C1-xNx [worin 0 ≤ x ≤ 0,6],
Formel 5: Cu1-y(CxN1-x)y [worin 0 ≤ x ≤ 0,1 und 0 ≤ y ≤ 0,5] ausgewählt ist,
• sich die Kristallstruktur der Schicht A von der Kristallstruktur der Schicht B unterscheidet,
• die Dicke der Schicht A pro Schicht das Zweifache oder mehr der Dicke der Schicht B pro Schicht beträgt,
• die Dicke der Schicht B pro Schicht 0,5 nm oder mehr beträgt und
• die Dicke der Schicht A pro Schicht 200 nm oder weniger beträgt.
• die Schicht A die Zusammensetzung der Formel 1 (Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc) [worin 0,4 ≤ x ≤ 0,8, 0 ≤ y ≤ 0,6, 0 ≤ a ≤ 0,15, 0 ≤ b ≤ 0,3, 0 ≤ c ≤ 0,1 und M ein oder mehrere Metallelement(e), ausgewählt aus der Gruppe 4A, 5A, 6A und Si, ist] aufweist,
• die Schicht B eine Zusammensetzung aufweist, die aus einer von
Formel 2: B1-x-yCxNy [worin 0 ≤ x ≤ 0,25 und B/N ≤ 1,5],
Formel 3: Si1-x-yCxNy [worin 0 ≤ x ≤ 0,25 und 0,5 ≤ Si/N < 2,0],
Formel 4: C1-xNx [worin 0 ≤ x ≤ 0,6],
Formel 5: Cu1-y(CxN1-x)y [worin 0 ≤ x ≤ 0,1 und 0 ≤ y ≤ 0,5] ausgewählt ist,
• sich die Kristallstruktur der Schicht A von der Kristallstruktur der Schicht B unterscheidet,
• die Dicke der Schicht A pro Schicht das Zweifache oder mehr der Dicke der Schicht B pro Schicht beträgt,
• die Dicke der Schicht B pro Schicht 0,5 nm oder mehr beträgt und
• die Dicke der Schicht A pro Schicht 200 nm oder weniger beträgt.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hartstoff-Schichtsystem.
- Insbesondere betrifft diese Erfindung ein Hartstoff-Schichtsystem (bzw. einen laminierten Hartfilm), bei dem die Kristallteilchengröße derart genau gesteuert ist, dass es eine hervorragende mechanische Beständigkeit aufweist, ein verschleißfestes Hartstoff-Schichtsystem, das auf der Oberfläche von Bearbeitungswerkzeugen oder gleitenden Teilen für Kraftfahrzeuge ausgebildet ist, und ein Hartstoff-Schichtsystem mit einer hervorragenden Verschleißfestigkeit und hervorragenden Antioxidationseigenschaften.
- Das erfindungsgemäße Hartstoff-Schichtsystem kann mit einer kombinierten Beschichtungsvorrichtung (Filmbildungskombinationsvorrichtung), die eine Lichtbogenverdampfungsquelle und eine Sputterzerstäubungsquelle (Sputterverdampfungsquelle) umfasst, mit den vorstehend genannten hervorragenden Eigenschaften gebildet werden.
- In den letzten Jahren bestand ein steigender Bedarf zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit von superharten Legierungen, von Schneidwerkzeugen aus Thermitstahl oder Schnellarbeitswerkzeugstahl als Basismaterialien und von gleitenden Teilen für Kraftfahrzeuge, und es wird die Möglichkeit einer Verbesserung des verschleißfesten Films bzw. Schicht(systems) (im Folgenden kann „Film” sowohl einen Einzelfilm als auch ein Filmsystem aus mehreren Filmen bezeichnen und „Schicht” sowohl eine Einzelschicht als auch ein Schichtsystem aus mehreren Schichten bezeichnen) in Betracht gezogen, der auf der Oberfläche dieser Teile verwendet wird.
-
DE 102 33 222 A1 betrifft einen Hartfilm mit der Zusammensetzung (Alb, [Cr1-αVα]c)(C1-dNd), wobei 0,5 ≤ b ≤ 0,8, 0,2 ≤ c ≤ 0,5, b + c = 1, 0,05 ≤ α ≤ 0,95, 0,5 ≤ d ≤ 1 (worin b und c jeweils Atomverhältnisse von Al und Cr + V darstellen, d das Atomverhältnis von N bezeichnet und α das Atomverhältnis von V darstellt), oder mit der Zusammensetzung (Ma, Alb, [Cr1-αVα]c)(C1-dNd), worin M wenigstens ein Element ist, das aus Ti, Nb, W, Ta und Mo ausgewählt ist und wobei 0,02 ≤ a ≤ 0,3, 0,5 ≤ b ≤ 0,8, 0,05 ≤ c, a + b + c = 1, 0,5 ≤ d ≤ 1,0 ≤ α ≤ 1, (worin a das Atomverhältnis von M darstellt), wobei der Fall, bei dem M = Ti ist und der Wert α = 0 ist, ausgeschlossen ist. -
US 6,586,122 B2 betrifft ein mit mehreren Schichten beschichtetes Schneidwerkzeug mit einer Mehrschicht-Beschichtungsschicht, die eine erste Hartbeschichtungsschicht auf dem Substrat und eine zweite Hartbeschichtungsschicht auf der ersten Hartbeschichtungsschicht umfasst, wobei die erste Hartbeschichtungsschicht ein oder mehrere Metallelement(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Ti, Al und Cr, und ein oder mehrere Nichtmetallelement(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus N, B, C und O, umfasst, und die zweite Hartbeschichtungsschicht Si und ein oder mehrere Metallelement(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Metallelementen der Gruppen 4a, 5a und 6a des PSE und Al, und ein oder mehrere Nichtmetallelement(e), ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus N, B, C und O, umfasst. -
US 4,556,607 A betrifft Oberflächenbeschichtungen aus 20 bis 70 Gew.-% von Co und/oder Ni, 8 bis 35 Gew.-% Cr, 3 bis 20 Gew.-% von Mo und/oder W und 0,5 bis 10 Gew.-% von mindestens einem von C, N und B. -
US 5,234,561 A undEP 0 403 552 B1 betreffen jeweils Verfahren und Vorrichtungen zur dualen Beschichtung mittels physikalischer Gasphasenabscheidung. - Der im Stand der Technik verwendete verschleißfeste Film bzw. Schicht umfasst eine Hartstoff-Schicht bzw. einen Hartfilm wie z. B. TiAlN, bei dem es sich um einen Mischnitridfilm bzw. -schicht aus TiN oder TiCN, Ti und Al handelt, der auf diesem Basismaterial (Teil) aufgebracht ist.
- Um die Verschleißfestigkeit dieses verschleißfesten Films bzw. Schicht zu verbessern, wurde im Allgemeinen ein drittes Element zugesetzt, um die Feinheit der Kristallteilchen des Films bzw. Schicht zu erhöhen und dessen Eigenschaften zu verbessern. Beispielsweise wurde im Fall von Schneidwerkzeugen berichtet, dass die Zugabe von Si oder B zu einem TiAlN-Film bzw. -Schicht die Verschleißfestigkeit verbessert und die Härte erhöht, und zwar durch Erhöhen der Feinheit von Kristallteilchen (
US 55 80 653 A undUS 53 18 840 A ). Es wurde auch vorgeschlagen, B dem CrN-Film bzw. -Schicht zuzusetzen, der in gleitenden Teilen verwendet wird, wie z. B. einem Kolbenring eines Kraftfahrzeugs, um die Verschleißfestigkeit durch Erhöhen der Härte zu verbessern (US 62 32 003 B1 ). - Bezüglich des Hinzufügens von Elementen zu Hartfilmen bzw. -schichten im Stand der Technik gibt es auch ein Beispiel eines Versuchs, die Eigenschaften wie z. B. die Härte durch Hinzufügen von Si durch Sputtern, während ein TiN-Film bzw. -Schicht durch eine Lichtbogenverdampfungsquelle in einer Vorrichtung gebildet wird, die sowohl mit einer Lichtbogenverdampfungsquelle als auch mit einer Sputterzerstäubungsquelle ausgestattet ist, so dass ein TiSiN-Film bzw. -Schicht gebildet wird, zu verbessern (K. H. Kim et al., Surf. Coat. Technol. 298 (2002), Seiten 243–244, 247).
- Bei diesen Verfahren zur Erhöhung der Feinheit von Kristallteilchen eines verschleißfesten Films bzw. Schicht durch Hinzufügen anderer Elemente wird die Feinheit der Kristallteilchen durch die Zugabemenge des Elements bestimmt und die Film- bzw. Schichtteilchengröße kann lediglich durch Variieren der Zugabemenge des Elements gesteuert werden. Daher muss zur Herstellung von Filmen bzw. Schichten mit verschiedenen Teilchengrößen eine Mehrzahl von Targets mit verschiedenen Elementzugabemengen erzeugt werden. Es ist jedoch extrem schwierig, eine Probe mit genau der richtigen Teilchengröße für einen bestimmten Zweck herzustellen, d. h. einen Film bzw. Schicht herzustellen, der Eigenschaften aufweist, die für einen bestimmten Zweck gestaltet sind, und dabei treten in der Praxis Probleme auf.
- Hartfilme bzw. -schichten mit hervorragender Härte und Verschleißfestigkeit mit im Wesentlichen einer Steinsalzkristallstruktur wurden ebenfalls zur Verwendung in Schneidwerkzeugen vorgeschlagen (
US 67 67 658 B2 ,US 2002 168 552 A1 ). Diese Hartfilm- bzw. -schichtzusammensetzungen sind z. B. (Tia, Alb, Vc) (C1-dNd), worin 0,02 ≤ a ≤ 0,3, 0,5 < b ≤ 0,8, 0,05 < c, 0,7 ≤ b + c, a + b + c = 1, 0,5 ≤ d ≤ 1. - Im Allgemeinen können Hartfilme bzw. -schichten mit einer Steinsalzstruktur mittels Röntgenbeugung mit dem θ-2θ-Verfahren gemessen werden. Beispielsweise weisen Hartfilme bzw. -schichten wie (TiAlV)(CN) eine Steinsalzkristallstruktur auf und bilden ein Mischnitrid mit einer Steinsalzstruktur, bei der Al und V die Ti- und TiN-Plätze in der Steinsalzstruktur ersetzen. In diesem Fall ist das AlN in der Steinsalzstruktur (Gitterkonstante 4,12 Å) eine Hochtemperatur-Hochdruckphase und eine sehr harte Substanz, und wenn das Verhältnis von Al in (CN)(TiAlV) erhöht wird, während die Steinsalzstruktur beibehalten wird, kann die Härte des (TiAlV)(CN)-Films bzw. -Schicht weiter erhöht werden.
- Zur Bildung eines Hartstoff-Mehrschichtsystems bzw. Mehrschichthartfilms dieses Typs gibt es Vorrichtungen und Verfahren, bei denen abhängig von den verwendeten Hartmaterialien mehrere Lichtbogenverdampfungsquellen und Sputterzerstäubungsquellen oder Elektronenstrahlverdampfungsquellen zur Bildung verschiedener Hartstoff-Schichten bzw. Hartfilmschichten auf einem Substrat kombiniert werden können.
- Von diesen Vorrichtungen weist eine Vorrichtung, bei der mehrere Lichtbogenverdampfungsquellen und Sputterzerstäubungsquellen zur aufeinander folgenden Ausbildung von Hartstoff-Schichten bzw. Hartfilmschichten auf dem Substrat kombiniert werden, im Hinblick darauf, dass der Film bzw. Schicht durch die Nutzung der verschiedenen Eigenschaften einer Lichtbogenverdampfungsquelle und einer Sputterzerstäubungsquelle gebildet werden kann, angeblich eine hohe Beschichtungs- bzw. Filmbildungseffizienz auf.
- Beispielsweise bildet die Lichtbogenverdampfungsquelle im Hinblick auf die relativen Eigenschaften einer Lichtbogenverdampfungsquelle und einer Sputterzerstäubungsquelle einen Film bzw. Schicht schneller aus als eine Sputterzerstäubungsquelle, jedoch ist es schwierig, die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsgeschwindigkeit einzustellen und die Dicke der gebildeten Dünnfilmschicht genau zu steuern. Andererseits bildet die Sputterzerstäubungsquelle einen Film bzw. Schicht langsamer als eine Lichtbogenverdampfungsquelle, jedoch kann die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsgeschwindigkeit einfach eingestellt werden, und da sie selbst mit einer extrem geringen Eingangsleistung betrieben werden kann, kann die Dicke des Dünnfilms bzw. -schicht, der gebildet wird, genau gesteuert werden.
- Folglich kann durch die Verwendung einer Lichtbogenverdampfungsquelle für relativ dicke Beschichtungen bzw. Filmschichten und einer Sputterzerstäubungsquelle für relativ dünne Beschichtungen bzw. Filmschichten die Dicke jeder (Film)schicht einfach gesteuert werden und die Gesamt-Beschichtungs- bzw. -Filmbildungsgeschwindigkeit kann erhöht werden.
- Im Stand der Technik ist eine kombinierte Beschichtungsvorrichtung bekannt, bei der eine Mehrzahl von Lichtbogenverdampfungsquellen und Sputterzerstäubungsquellen in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer kombiniert ist.
- Beispielsweise wurde ein Verfahren zur Bildung eines Hartfilms bzw. -schicht vorgeschlagen, bei dem die Lichtbogenverdampfungsquelle und die Sputterzerstäubungsquelle abwechselnd betrieben werden. Als erstes wird durch die Lichtbogenverdampfungsquelle ein Metallionenätzen durchgeführt, dann wird die Lichtbogenverdampfungsquelle gestoppt, ein Prozessgas wird eingeführt und die Sputterzerstäubungsquelle wird betrieben (
US 52 34 561 A ). - Es wurde auch eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der eine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds (Magnetfeldanwendungsmechanismus bzw. Magnetfeldanlegungsfunktion) mit einer Lichtbogenverdampfungsquelle und einer Sputterzerstäubungsquelle kombiniert wird (
EP 0 403 552 B1 ,US 62 32 003 B1 ). In der7 derUS 62 32 003 B1 , wobei es sich um eine der Techniken des Standes der Technik handelt, bei der keine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds verwendet wird, stören sich die Magnetfelder der Lichtbogenverdampfungsquelle und der Sputterzerstäubungsquelle gegenseitig. - Im Stand der Technik ist auch bekannt, dass die Lichtbogenverdampfungsquelle und die Sputterzerstäubungsquelle zur Bildung eines Hartfilms bzw. -schicht gleichzeitig betrieben werden können, und wenn dem Film bzw. Schicht ein drittes Element hinzugefügt wird, nimmt die Feinheit der Kristallteilchen des Films bzw. Schicht zu, was die Verschleißfestigkeit und andere Eigenschaften verbessert. Beispielsweise wurde ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem Si oder B einem TiN-Film bzw. -Schicht oder einem TiAlN-Film bzw. -Schicht für Schneidwerkzeuge zugesetzt wird, was die Verschleißfestigkeit verbessert und die Härte aufgrund der feineren Kristallteilchen erhöht (
US 55 80 653 A ,US 53 18 840 A , K. H. Kim et al., Surf. Coat. Technol. 298 (2002), Seiten 243–244, 247). Es wurde auch ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem B einem CrN-Film bzw. -Schicht zugesetzt wird, der in gleitenden Teilen wie z. B. dem Kolbenring von Kraftfahrzeugen zugesetzt wird, um die Verschleißfestigkeit durch Erhöhen der Härte zu verbessern (US 62 32 003 B1 ). - Selbst in einem Hartfilm bzw. -schicht, der hauptsächlich eine Halogenidkristallstruktur aufweist, gibt es abhängig von den Beschichtungs- bzw. Filmbildungsbedingungen, wenn die Kristallteilchengröße (nachstehend auch als Kristallgröße) des Halogenidhartfilms bzw. -schicht grob ist, eine Grenze für die Verbesserung der Verschleißfestigkeit, die durch die Erhöhung der Härte erhalten werden kann.
- In dem vorstehend genannten Stand der Technik wurde in jedem Fall während der Beschichtung bzw. Filmbildung ein spezifisches Element einheitlich zugesetzt und dadurch wurde ein Einschichtfilm mit einer einzigen chemischen Zusammensetzung gebildet. Der auf diese Weise gebildete Film bzw. Schicht weist aufgrund der feineren Kristallteilchen, die den Film bzw. Schicht bilden, eine erhöhte Härte und eine verbesserte Verschleißfestigkeit auf, jedoch gab es dann, wenn der Reibungskoeffizient der Film- bzw. Schichtoberfläche nicht ausreichend vermindert worden ist, nur eine geringe Verbesserung der Verschleißfestigkeit und des Gleitvermögens, und aufgrund der erhöhten Härte neigte der Film bzw. Schicht stärker dazu, andere Elemente zu beschädigen, und somit war eine weitere Verbesserung erwünscht.
- Darüber hinaus wiesen die mit diesen Verfahren und Techniken des Standes der Technik gebildeten Hartfilme bzw. -schichten keine ausreichende Leistung auf, um die immer strenger werdenden Anforderungen bezüglich Schneidwerkzeugen und gleitenden Teilen zu erfüllen, so dass eine erhöhte Verschleißfestigkeit und eine bessere Dauerbeständigkeit erwünscht waren.
- Wenn beispielsweise ein Element wie B oder Si dem vorstehend beschriebenen verschleißfesten Film bzw. Schicht zugesetzt wird, um die Feinheit der Kristallteilchen zu erhöhen, wird die Feinheit durch die Zugabemenge bestimmt und die Schicht- bzw. Filmteilchengröße kann lediglich durch Variieren der Zugabemenge gesteuert werden. Daher muss zur Herstellung von Filmen bzw. Schichten mit unterschiedlichen Teilchengrößen eine Mehrzahl von Targets mit variierenden Elementzugabemengen hergestellt werden. Es ist folglich sehr unzweckmäßig, eine Probe mit einer spezifischen Teilchengröße für einen speziellen Zweck herzustellen, z. B. einen Film bzw. Schicht mit Eigenschaften, die für einen speziellen Zweck gestaltet sind, und es gibt daher eine praktische Grenze für die Verbesserung der Verschleißfestigkeit des Hartfilms bzw. -schicht, die erhalten werden kann.
- Im Fall der vorstehend genannten Vorrichtung konnten dann, wenn eine Lichtbogenverdampfungsquelle und eine Sputterzerstäubungsquelle in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer betrieben wurden, selbst dann, wenn die Lichtbogenverdampfungsquelle und die Sputterzerstäubungsquelle abwechselnd betrieben wurden, verschiedene Probleme nicht vermieden werden, z. B. war es manchmal schwierig, einen feinen Hartfilm bzw. -schicht oder einen Hartfilm bzw. -schicht mit der gewünschten Zusammensetzung abhängig von dem Hartfilm- bzw. -schichtmaterial und den Beschichtungs- bzw. Filmbildungsbedingungen zu bilden, und während des Beschichtungs- bzw. Filmbildungsverfahrens traten manchmal anomale elektrische Entladungen auf. Folglich gab es auch eine Grenze bezüglich der Verbesserung der Verschleißfestigkeit, die durch Erhöhen der Härte des Films bzw. Schicht erhalten werden konnte.
- Wenn beispielsweise Hartnitridfilme bzw. -schichten wie TiN, TiCN oder TiAlN gebildet werden, wird die Beschichtung bzw. Filmbildung in einer Mischgasatmosphäre aus Ar und Stickstoff zur Bildung des Nitrids durchgeführt. In der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer neigen jedoch Elektronen, die von der Lichtbogenverdampfungsquelle oder der Sputterzerstäubungsquelle abgegeben werden, dazu, leicht an die Kammerwände angezogen zu werden, die in der gleichen Weise wie das Substrat als Anode wirken. Als Folge davon wird die Konzentration abgegebener Elektronen geringer, die Kollisionen mit dem Sputtergas oder dem Reaktivgas nehmen ab und es ist schwierig, eine hocheffiziente Gasionisierung durchzuführen.
- Ferner wird in einer Sputterzerstäubungsquelle ein inertes Sputtergas wie z. B. Ar (Argon), Ne (Neon) oder Xe (Xenon) verwendet, wohingegen in einer Lichtbogenverdampfungsquelle ein Reaktivgas (Reaktionsgas) wie z. B. Stickstoff, Methan oder Acetylen verwendet wird. Wenn folglich eine Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und eine Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer gleichzeitig durchgeführt werden, und insbesondere dann, wenn der Partialdruck des Reaktivgases wie z. B. Stickstoff erhöht wird, um die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsleistung zu erhöhen, kann das Sputtertargetmaterial abhängig von dem verwendeten Sputterzerstäubungsquellenmaterial mit dem Reaktionsgas reagieren, so dass ein Isolator (isolierende Substanz) auf der Oberfläche des Targetmaterials gebildet wird. Aufgrund dieses Isolators besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit einer anomalen Entladung (Lichtbogenbildung), die in der Sputterzerstäubungsquelle auftritt. Dies stört auch eine hocheffiziente Gasionisierung.
- Wenn eine Störung einer hocheffizienten Gasionisierung vorliegt, kann die ionische Bestrahlung des Substrats nicht intensiviert werden, so dass die Feinheit der Hartfilmschicht nicht erhöht werden kann, die Oberflächen gröber und die Oberflächeneigenschaften schlechter werden. Als Folge davon gab es in der Beschichtungsvorrichtung (Filmbildungsvorrichtung) des Standes der Technik und insbesondere dann, wenn eine Lichtbogenverdampfungsquelle und eine Sputterzerstäubungsquelle gleichzeitig in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer betrieben wurden, eine schwerwiegende Beschränkung bezüglich der Verbesserung von Eigenschaften und der Leistung, die durch Erhöhen der Schicht- bzw. Filmhärte erreicht werden kann.
- Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme ist es daher Aufgabe dieser Erfindung, ein Hartstoff-Schichtsystem bzw. einen laminierten Hartfilm mit überlegener Verschleißfestigkeit, überlegenem Gleitvermögen und überlegenen Antioxidationseigenschaften bereitzustellen, und zwar durch Erhöhen der Feinheit der Kristallteilchen eines Hartfilms bzw. -schicht mit Steinsalzstruktur.
- Zur Lösung der vorstehend genannten Aufgabe umfasst das Hartstoff-Schichtsystem bzw. der laminierte Hartfilm der vorliegenden Erfindung abwechselnd abgeschiedene Schichten A und B, wobei
- • die Schicht A die Zusammensetzung der Formel 1 (Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc) [worin 0,4 ≤ x ≤ 0,8, 0 ≤ y ≤ 0,6, 0 ≤ a ≤ 0,15, 0 ≤ b ≤ 0,3, 0 ≤ c ≤ 0,1 und M ein oder mehrere Metallelement(e), ausgewählt aus der Gruppe 4A, 5A, 6A und Si, ist] aufweist,
- • die Schicht B eine Zusammensetzung aufweist, die aus einer von Formel 2: B1-x-yCxNy [worin 0 ≤ x ≤ 0,25 und B/N ≤ 1,5], Formel 3: Si1-x-yCxNy [worin 0 ≤ x ≤ 0,25 und 0,5 ≤ Si/N ≤ 2,0], Formel 4: C1-xNx [worin 0 ≤ x ≤ 0,6], Formel 5: Cu1-y(CxN1-x)y [worin 0 ≤ x ≤ 0,1 und 0 ≤ y ≤ 0,5] ausgewählt ist,
- • sich die Kristallstruktur der Schicht A von der Kristallstruktur der Schicht B unterscheidet,
- • die Dicke der Schicht A pro Schicht das Zweifache oder mehr der Dicke der Schicht B pro Schicht beträgt,
- • die Dicke der Schicht B pro Schicht 0,5 nm oder mehr beträgt und
- • die Dicke der Schicht A pro Schicht 200 nm oder weniger beträgt.
- Erfindungsgemäß weist das Hartstoff-Schichtsystem bzw. Hartfilm eine laminierte Struktur bzw. Schichtstruktur auf, bei der die Schicht A und die Schicht B, die spezifische Zusammensetzungen aufweisen, kombiniert und abwechselnd abgeschieden sind, so dass die Zusammensetzungen angrenzender Schichten unterschiedlich sind, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
- Darüber hinaus weisen in diesen Schichten, die abwechselnd abgeschieden sind, die Schicht A eine spezifische Zusammensetzung des (TiAlM)(BCNO)-Typs und die Schicht B eine spezifische Zusammensetzung auf, die aus einem des (BCN)-Typs, des (SiCN)-Typs, des (CN)-Typs und des Cu(CN)-Typs ausgewählt ist.
- Deshalb werden z. B. verglichen mit einem Hartfilm bzw. -schicht mit einer einzelnen Zusammensetzung wie z. B. aus der Schicht A oder einem Hartstoff-Schichtsystem bzw. laminierten Hartfilm, das nur die Schicht A umfasst, die Verschleißfestigkeit und die Oxidationsbeständigkeit stark verbessert.
- Ein geeignetes Verfahren zur Bildung des Hartstoff-Schichtsystems bzw. des laminierten Hartfilms der vorliegenden Erfindung besteht darin, diesen feinkristallinen Film bzw. Schicht unter Verwendung einer Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung auszubilden, die eine oder mehrere von jeweils einer Lichtbogenverdampfungsquelle, die eine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds umfasst, und eine Sputterzerstäubungsquelle umfasst, wobei die Bestandteilskomponenten der Hart(film)schicht A durch die Lichtbogenverdampfungsquelle und die Bestandteilskomponenten der Hart(film)schicht B durch die Sputterzerstäubungsquelle verdampft bzw. zerstäubt werden, so dass die Hart(film)schichten A und B aufeinander folgend abwechselnd auf dem Substrat abgeschieden werden.
- Demgemäß ist eine kombinierte Beschichtungsvorrichtung eine Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung, die eine oder mehrere von jeweils einer Lichtbogenverdampfungsquelle, die eine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds aufweist, und einer Sputterzerstäubungsquelle innerhalb der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer, und eine Einrichtung zum aufeinander folgenden Verschieben des Substrats, auf dem ein Film bzw. Schicht gebildet werden soll, zwischen der Lichtbogenverdampfungsquelle und der Sputterzerstäubungsquelle umfasst, wobei die Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds so konfiguriert ist, dass die Magnetkraftlinien der angrenzenden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen miteinander verbunden sind.
- Die kombinierte Beschichtungsvorrichtung umfasst eine oder mehrere von jeweils einer Lichtbogenverdampfungsquelle, die eine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds umfasst, und eine Sputterzerstäubungsquelle innerhalb der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer, und eine Einrichtung zum aufeinander folgenden Verschieben des Substrats, auf dem ein Film bzw. Schicht gebildet werden soll, zwischen der Lichtbogenverdampfungsquelle und der Sputterzerstäubungsquelle, wobei während des Beschichtungs- bzw. Filmbildungsverfahrens ein Sputtergas in der Nähe der Sputterzerstäubungsquelle eingeführt wird und ein Reaktionsgas in der Nähe der Lichtbogenverdampfungsquelle eingeführt wird.
- Ferner kann die Sputterzerstäubungsquelle eine Sputterzerstäubungsquelle sein, die in der vorstehend beschriebenen kombinierten Beschichtungsvorrichtung verwendet wird, bei der ein Material, bei dem es sich um einen elektrischen Isolator handelt, außerhalb eines Erosionsbereichs verwendet wird.
- Entsprechend weist die Sputterzerstäubungsquelle, die in der kombinierten Beschichtungsvorrichtung verwendet wird, in einer weiteren Variation der Sputterzerstäubungsquelle eine Abschirmung auf, die sich an einem Schwebepotenzial („floating potential”) oder einem Erdungspotenzial bezogen auf das Potenzial des Sputtertargets außerhalb des Erosionsbereichs befindet.
- In der kombinierten Beschichtungsvorrichtung ist die Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds so bereitgestellt, dass die Magnetkraftlinien der angrenzenden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen während des Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorgangs verbunden sind, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
- Folglich sind die Magnetkraftlinien innerhalb der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer geschlossen (geschlossener Magnetfeldaufbau) und, wie es später beschrieben wird, werden Elektronen, die von den Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen abgegeben werden, durch dieses geschlossene Magnetfeld eingefangen, so dass sie nicht leicht von der Kammer angezogen werden, bei der es sich wie bei dem Substrat um eine Anode handelt. Folglich nimmt selbst dann, wenn die Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und die Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung gleichzeitig in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer durchgeführt werden, die Konzentration der abgegebenen Elektronen zu, die Kollisionen zwischen dem Sputtergas und dem Reaktivgas nehmen zu und eine hocheffiziente Gasionisierung kann stattfinden.
- In der kombinierten Beschichtungsvorrichtung besteht ein zusätzliches Merkmal darin, dass während des Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorgangs das Sputtergas in der Nähe der Sputterzerstäubungsquelle eingeführt wird und das Reaktionsgas in der Nähe der Lichtbogenverdampfungsquelle eingeführt wird. Wenn folglich eine Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und eine Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung gleichzeitig in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer durchgeführt werden, und insbesondere selbst wenn der Partialdruck des Reaktivgases wie z. B. Stickstoff während der Beschichtung bzw. Filmbildung erhöht wird, um die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsleistung zu erhöhen, werden Probleme wie z. B. die Schwierigkeit des Mischens des Reaktionsgases wie z. B. Stickstoff mit dem Sputtergas, die Bildung eines Isolierfilms bzw. -schicht auf der Targetoberfläche aufgrund des ionisierten Gasgemischs und eine anomale elektrische Entladung unterdrückt. Daher kann eine hocheffiziente Gasionisierung durchgeführt werden.
- In den verschiedenen Ausführungsformen oder kombinierten Ausführungsformen wird eine Zonenbestrahlung des Substrats durch Fördern einer hocheffizienten Gasionisierung intensiviert und die Eigenschaften werden aufgrund der erhöhten Härte, die aus der Feinheit der Hartfilmschicht resultiert, verbessert. Ferner können anomale Ereignisse während der Beschichtung bzw. Filmbildung wie z. B. eine anomale elektrische Entladung unterdrückt werden.
- Ferner wird bei den vorstehend genannten zwei Variationen der Sputterzerstäubungsquelle verhindert, dass eine Spannung auf den nicht-Erosionsbereich der Sputterzerstäubungsquelle einwirkt, so dass Teilchen, die von dem Erosionsbereich gesputtert worden sind, mit dem Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff in dem nicht-Erosionsbereich reagieren und sich mit diesem Vereinigen und nicht abgeschieden werden. Als Folge davon wird eine anomale elektrische Entladung aufgrund dieses Faktors verhindert und es findet eine hocheffiziente Gasionisierung statt.
- Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich in einer vollständigeren Weise aus der folgenden Beschreibung.
-
1 ist eine schematische Querschnittsansicht der laminierten Struktur bzw. Schichtstruktur eines Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems. -
2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Hartfilms bzw. -schicht des Standes der Technik. -
3 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen Aspekt einer Vorrichtung zur Bildung des erfindungsgemäßen Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems zeigt. -
4 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen weiteren Aspekt einer Vorrichtung zur Bildung des erfindungsgemäßen Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems zeigt. -
5 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen weiteren Aspekt einer Vorrichtung zur Bildung des erfindungsgemäßen Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems zeigt. -
6 ist ein erläuterndes Diagramm, das einen weiteren Aspekt einer Vorrichtung zur Bildung des erfindungsgemäßen Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems zeigt. -
7A ist ein Diagramm, das die Mikrostruktur eines Querschnitts des erfindungsgemäßen Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems in der Dickenrichtung zeigt, wobei es sich um eine schematische Ansicht handelt. -
7B ist ein Diagramm, das die Mikrostruktur eines Querschnitts des erfindungsgemäßen Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems in der Dickenrichtung zeigt, wobei es sich um einen vertikalen Schnitt handelt. -
8 ist eine Vorderansicht, die einen weiteren Aspekt der kombinierten Beschichtungsvorrichtung zeigt. -
9 ist eine Draufsicht, die einen weiteren Aspekt der kombinierten Beschichtungsvorrichtung zeigt. -
10 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Stickstoffpartialdruck und dem Stickstoffgehalt eines Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems zeigt. -
11 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Stickstoffpartialdruck und der Oberflächenrauhigkeit Ra eines Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems zeigt. -
12 ist ein erläuterndes Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Stickstoffpartialdruck und der Vickershärte eines Hartfilms bzw. -schicht bzw. Hartstoff-Schichtsystems zeigt. -
13A zeigt einen Aspekt einer Sputterzerstäubungsquelle, wobei es sich um eine Draufsicht auf ein Sputtertargetmaterial handelt. -
13B zeigt einen Aspekt einer Sputterzerstäubungsquelle, wobei es sich um eine Vorderansicht der Sputterzerstäubungsquelle handelt. -
14A zeigt einen weiteren Aspekt der Sputterzerstäubungsquelle, wobei es sich um eine Draufsicht auf ein Sputtertargetmaterial handelt. -
14B zeigt einen weiteren Aspekt der Sputterzerstäubungsquelle, wobei es sich um eine Vorderansicht der Sputterzerstäubungsquelle handelt. -
15A zeigt einen weiteren Aspekt der Sputterzerstäubungsquelle, wobei es sich um eine Draufsicht auf ein Sputtertargetmaterial handelt. -
15B zeigt einen weiteren Aspekt der Sputterzerstäubungsquelle, wobei es sich um eine Vorderansicht der Sputterzerstäubungsquelle handelt. - Einige Ausführungsformen dieser Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Hartfilm- bzw. -schichtanforderungen beschrieben.
- Als erstes wird eine Technik zur Steuerung der Teilchengröße beschrieben.
- Steuerung der Kristallteilchengröße einer Hartfilmschicht A
- Eine gewöhnliche Hartfilmschicht A, wie z. B. TiN, CrN oder TiAlN, die verbreitet für Schneidwerkzeuge oder verschleißfeste gleitende Teile verwendet und durch Sputtern oder Ionenplattieren gebildet wird, wie es schematisch durch das Schicht- bzw. -Filmkristallwachstumsmuster in der
2 gezeigt ist, geht von einem Kern auf dem Substrat aus und wächst zu einer Säule, wobei die Breite dieses säulenförmigen Teilchens während des Wachsens zunimmt. - Andererseits wird beispielsweise in dem Fall eines Vergleichsbeispiels, das schematisch durch das Film- bzw. Schichtkristallwachstumsmuster in der
1 gezeigt ist, ein Film bzw. Schicht mit Kristallen ohne kubische Steinsalzstruktur als Hartfilmschicht B ausgewählt und diese wird abwechselnd mit der Hartfilmschicht A abgeschieden (gebildet). In diesem Fall wird das Wachstum der Hartfilmschichten A durch Insertieren der Hartfilmschicht B vorübergehend unterbrochen und die Hartfilmschichten A erzeugen wiederholt Keime und wachsen ausgehend von den Hartfilmschichten B. Daher ist im Vergleich zur2 die Kristallteilchengröße in der Schicht- bzw. Filmdickenrichtung und der Parallelrichtung (laterale Richtung) zu der Substratoberfläche geringer. Die1 und2 sind vereinfachte graphische Darstellungen der Ergebnisse, die durch eine TEM-Untersuchung (TEM = Transmissionselektronenmikroskop) des Querschnitts eines Hartfilms bzw. -schicht oder laminierten Hartfilms bzw. Hartstoff-Schichtsystems bei 45000-facher Vergrößerung erhalten werden. - Beispielsweise zeigt, wenn ein TiAlN-Film bzw. -Schicht als Hartfilmschicht A ausgewählt wird, ein SiN-Film bzw. -Schicht als Hartfilmschicht B ausgewählt wird, die Dicke der Schicht A etwa 5 nm und die Dicke der Schicht B etwa 5 nm beträgt, eine TEM-Untersuchung des laminierten TiAlN/SiN-Films bzw. -Schichtsystems mit der vorstehend genannten Schichtstruktur bzw. laminierten Struktur, dass im Vergleich zur
2 das Kristallteilchenwachstum in der Schicht- bzw. Filmdickenrichtung an jeder Schicht unterbrochen wird, so dass die Kristallteilchen feiner sind. Aufgrund dieser erhöhten Feinheit kritischer Teilchen können nunmehr überlegene bzw. hervorragende Eigenschaften erhalten werden, die mit den gehärteten Schichten bzw. Filmen des Standes der Technik nicht erreicht werden konnten. - Gemäß eines weiteren Vergleichsbeispiels ist die Schicht A kristallin (Cr2N oder CrN) und die Schicht B nicht-kristallin. Durch abwechselndes Abscheiden dieser beiden Schichten mit unterschiedlicher Kristallinität zur Bildung eines Schichtsystems bzw. Films wird das Wachstum der Kristallteilchen der Schicht A in der Schicht- bzw. Filmdickenrichtung durch Insertieren der Schicht B unterbrochen, so dass die Kristallteilchengröße die Dicke der Schicht A nicht übersteigt. Als Ergebnis sind verglichen mit dem Fall, bei dem das Kristallteilchenwachstum nicht wie in dem vorstehend beschiebenen Stand der Technik unterbrochen ist, die Kristallteilchen feiner und die Schicht- bzw. Filmhärte wird weiter erhöht.
- Als nächstes werden die strukturellen Anforderungen eines Schichtsystems bzw. Laminats bzw. einer Mehrschichtstruktur aus zwei Typen von Hartfilmschichten beschrieben.
- Dicke des Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms
- Die Gesamtdicke des erfindungsgemäßen Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms hängt von der Anwendung wie z. B. als Schneidwerkzeuge oder gleitende Teile ab. Im Allgemeinen liegt die Gesamtdicke im Fall von Schneidwerkzeugen in der Größenordnung von 1 bis 5 μm, und im Fall von gleitenden Teilen in der Größenordnung von 3 bis 100 μm. Daher kann die Schicht- bzw. (Film)dicke durch Festlegen der Dicken der Schichten A und B gemäß den folgenden Standards und dann Variieren der Anzahl der laminierten Schichten derart, dass diese Dicken der Hartstoff-Schichtsysteme bzw. laminierten Hartfilme erhalten werden, gesteuert werden.
- Beziehung zwischen der (Film)dicke der Schicht A und der (Film)dicke der Schicht B
- In dem erfindungsgemäßen Hartstoff-Schichtsystem bzw. laminierten Hartfilm beträgt die Dicke der Schicht A das Zweifache oder mehr der Dicke der Schicht B pro Schicht. Die Schicht A, bei der es sich um die Hauptphase des erfindungsgemäßen Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms handelt, bestimmt im Wesentlichen die Vorgaben wie z. B. die Härte, die Verschleißfestigkeit und die Antioxidationseigenschaften, die für das erfindungsgemäße Hartstoff-Schichtsystem bzw. laminierten Hartfilm erforderlich sind. Wenn die Schicht A weniger als die zweifache Dicke der Schicht B aufweist, werden die Eigenschaften der Schicht B bei den Eigenschaften des Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms vorherrschend, so dass der Film bzw. Schicht die erforderlichen Eigenschaften nicht länger aufweist. Daher beträgt die Dicke der Schicht A das Zweifache oder mehr der Dicke der Schicht B.
- Dicke der Schicht A
- Die Dicke (Filmdicke) der Schicht A pro Schicht beträgt 200 nm oder weniger, vorzugsweise 100 nm oder weniger, jedoch mehr bevorzugt 50 nm oder weniger. Die Dicke der Schicht A pro Schicht sollte weniger als 200 nm betragen, und wenn die Dicke diese Obergrenze übersteigt, so dass die Schicht A dicker ist, verschwindet der Verbundeffekt des Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Films und es besteht kein großer Unterschied zu dem Fall, bei dem die Schicht B nicht bereitgestellt ist und nur die Schicht A zur Bildung des Films bzw. Schichtsystems abgeschieden wird. In diesem Fall zeigen sich nur die Eigenschaften der Schicht A und die Schicht B kann die Eigenschaften der Schicht A nicht ergänzen.
- Andererseits sollte die Dicke der Schicht A pro Schicht vorzugsweise 2 nm oder mehr betragen. Wenn die Dicke der Schicht A weniger als 2 nm beträgt, kann es unmöglich sein, die Eigenschaften der Schicht A in dem Hartstoff-Schichtsystem bzw. laminierten Hartfilm sicherzustellen, und zwar selbst dann, wenn die Anzahl der laminierten Schichten A erhöht wird.
- Dicke der Schicht B
- Die Dicke der Schicht B pro Schicht beträgt 0,5 nm, jedoch vorzugsweise 1 nm oder mehr. Die Dicke der Schicht B variiert gemäß der Dicke der Schicht A, jedoch besteht dann, wenn deren Dicke weniger als 0,5 nm beträgt, d. h. bei Dicken unter dieser Untergrenze, kein großer Unterschied bezüglich des Falls, bei dem die Schicht B nicht bereitgestellt ist und nur die Schicht A zur Bildung des Schichtsystems bzw. Films abgeschieden wird. In diesem Fall treten nur die Eigenschaften der Schicht A auf und die Schicht B kann die Eigenschaften der Schicht A nicht ergänzen.
- Andererseits beträgt die Obergrenze der Dicke der Schicht B pro Schicht vorzugsweise die Hälfte oder weniger der Dicke der Schicht A.
- Wenn die Dicke der Schicht B die Hälfte der Dicke der Schicht A übersteigt und die Schicht A dünn ist, werden die Eigenschaften des Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms insgesamt stark durch die Schicht B beeinflusst, und die Eigenschaften der Schicht A können sich gegebenenfalls nicht manifestieren.
- Die Dicken der Schicht A und der Schicht B können als Durchschnitte der Werte berechnet werden, die in 2 Feldern bei einer 500000- bis 1500000-fachen Vergrößerung durch eine TEM-Querschnittsuntersuchung gemessen werden.
- Zustand der Hart(film)schicht A und der Hart(film)schicht B nach Bildung derselben (Laminierung)
- Die Schichten des erfindungsgemäßen Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms werden im Wesentlichen so angeordnet, dass die Zusammensetzungen der Schicht A und der Schicht B abwechseln und im Fall von Schicht A/Schicht B/Schicht A/Schicht B-Einheiten, bei denen die Schicht A mit der Schicht B abwechselt, ist es bevorzugt, eine Mehrschichtstruktur (Laminat) zu bilden, bei der diese Einheit mehrmals wiederholt wird. Zur Bildung der Mehrschichtstruktur (Laminat) können jedoch auch Schicht A/Schicht A/Schicht B/Schicht B-, Schicht A/Schicht B/Schicht B/Schicht A-, Schicht B/Schicht B/Schicht A/Schicht A- bzw. Schicht B/Schicht A/Schicht A/Schicht B-Einheiten kombiniert werden. Es sollte beachtet werden, dass diese laminierten Schichten A und Schichten B nicht notwendigerweise die gleiche Zusammensetzung aufweisen. Mit anderen Worten: Innerhalb des Schutzbereichs der vorliegenden Erfindung können die Zusammensetzungen jeder der Schichten A und der Schichten B je nach dem Zweck unterschiedlich eingestellt werden, wie z. B. in Schicht A1/Schicht B1/Schicht A2/Schicht B2. Beispielsweise weist in der vorliegenden Erfindung die dritte Hartfilmschicht C eine Kristallstruktur (z. B. eine kubische Steinsalzstruktur) auf, die mit derjenigen der Schicht A identisch ist, jedoch kann auch eine Hartfilmschicht (eine weitere Substanz), die unterschiedliche Komponenten aufweist, ausgewählt werden, und diese Hartfilmschicht kann dazwischen angeordnet werden, wodurch Schicht A/Schicht B/Schicht C-Einheiten oder Schicht B/Schicht A/Schicht B/Schicht C-Einheiten gebildet werden, die dann jeweils zur Bildung der Mehrschichtstruktur (Laminat) kombiniert werden. Die Anzahl dieser laminierten Einheiten kann abhängig von der Dicke des gewünschten Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms gegebenenfalls innerhalb eines Bereichs von 20 bis 1000 eingestellt werden.
- Als nächstes werden die Zusammensetzungen der Hartstoff- bzw. Hartfilmschichten A, B beschrieben.
- Zusammensetzung der Schicht A
- Die Zusammensetzung der Schicht A, bei der es sich um die Hauptphase des Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms der vorliegenden Erfindung handelt, sollte in Anwendungen, bei denen gleitende Teile wie z. B. Schneidwerkzeuge eine hohe Temperatur erreichen, sehr gute Oxidationseigenschaften aufweisen. Die Schicht A muss auch die Grundeigenschaften aufweisen, die für den Hartfilm bzw. -schicht(system) erforderlich sind, wie z. B. eine große Härte und eine hohe Verschleißfestigkeit.
- Aus diesem Grund kann die Zusammensetzung der Schicht A wie folgt dargestellt werden:
Formel 1: (Ti1-x-yAlXMy)(BaCbN1-a-b-cOc) [worin 0,4 ≤ x ≤ 0,8, 0 ≤ y ≤ 0,6, 0 ≤ a ≤ 0,15, 0 ≤ b ≤ 0,3, 0 ≤ c ≤ 0,1 und M ein oder mehrere Metallelement(e), ausgewählt aus der Gruppe 4A, 5A, 6A und Si, ist]. - Von den Zusammensetzungen der Schicht A, die durch die Formel 1 dargestellt werden, ist (Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc) [worin 0,5 ≤ x ≤ 0,8, 0,05 ≤ y ≤ 0,6, 0 ≤ a ≤ 0,15, 0 ≤ b ≤ 0,3, 0 ≤ c ≤ 0,1 und M ein oder mehrere Metallelement(e), ausgewählt aus Cr, V und Si, ist] bevorzugt.
- In der vorstehend genannten Formel 1 beträgt das Atomverhältnis von (TiAlM) und (BCNO), oder das Atomverhältnis der Metallelementgruppe und der Nichtmetallelementgruppe in den Klammern gewöhnlich 1:1, ist jedoch nicht notwendigerweise auf diesen Fall beschränkt. In Ti-Verbindungen, die in der Praxis Filme bilden, ist das Atomverhältnis von (TiAlM) und (BCNO) aufgrund von Unterschieden bei den Schicht- bzw. Filmbildungsbedingungen selbstverständlich nicht auf 1:1 beschränkt und es kann eine Fluktuationsbreite von beispielsweise 0,8 bis 1,2 aufweisen. Daher erlauben in der vorstehend genannten Formel 1 das Atomverhältnis von (TiAlM) und (BCNO) und das Atomverhältnis der Metallelementgruppe und der Nichtmetallelementgruppe selbstverständlich eine Fluktuationsbreite in dem Atomverhältnis der Ti-Verbindung, die das Schichtsystem bzw. den Film in der Praxis bildet.
- Ti-Komponente
- In der Zusammensetzung, welche die Schicht A bildet, weisen Ti-Nitride, -Carbonitride, -Bornitride und -Carbobornitride wie z. B. TiAlN, TiAlCrN, TiAlVN, TiAlNbN, TiAlBN und TiAlCrCN Eigenschaften wie z. B. eine große Härte und eine hohe Verschleißfestigkeit in Hartfilmen bzw. Schicht(system)en auf, die sie zur Verwendung als Basiskomponenten des Schicht A-Teils der vorliegenden Erfindung sehr gut geeignet machen.
- Al
- Im Gegensatz zu der Ti-Komponente verbessert das Einbeziehen von Al in die vorstehend genannte Zusammensetzung die Härte und Oxidationsbeständigkeit der Schicht A. Dieser Effekt tritt besonders deutlich hervor, wenn Al in einem Atomverhältnis im Bereich von 0,4 bis 0,8 (0,4 ≤ x ≤ 0,8), vorzugsweise jedoch 0,5 bis 0,8 (0,5 ≤ x ≤ 0,8) enthalten ist. Wenn andererseits Al einbezogen wird, jedoch außerhalb dieses Komponentenbereichs liegt, findet keine oder nur eine geringe Verbesserung der Härte und der Oxidationsbeständigkeit statt und dann gibt es keinen Grund, Al einzubeziehen.
- Metallelement M
- Wenn in der vorstehend genannten Zusammensetzungsformel ferner ein oder mehrere durch M dargestellte Metallelemente aus der Gruppe 4A, 5A, 6A und Si enthalten ist bzw. sind, werden die Härte und die Oxidationsbeständigkeit der Schicht A verbessert. Dieser Effekt tritt besonders deutlich hervor, wenn das Metallelement M mit einem Atomverhältnis y von 0,6 oder weniger (0 ≤ y ≤ 0,6) enthalten ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass dann, wenn M innerhalb eines Atomverhältnisses enthalten ist, das 0,6 übersteigt, der Gesamtgehalt von Ti und Al, welche die Basis bilden, bezogen auf das Atomverhältnis bei unter 0,4 liegt, so dass die Härte und die Oxidationsbeständigkeit der Schicht A vermindert werden.
- Das Metallelement M, das den vorstehend genannten Effekt zeigt, ist vorzugsweise eines oder mehrere Metall(e), das bzw. die aus Cr, V und Si ausgewählt ist bzw. sind und ein geeigneter Bereich des Gehalts, bei dem der vorstehend genannte Effekt auftritt, liegt bei 0,05 bis 0,6, bezogen auf das Atomverhältnis (0,05 ≤ y ≤ 0,6), jedoch mehr bevorzugt bei 0,1 bis 0,3 (0,1 ≤ y ≤ 0,3).
- Nichtmetallelement
- Von den vorstehend genannten Nichtmetallelementen, die aus B, C und N ausgewählt sind, in der Zusammensetzung der Schicht A ist Stickstoff (N) erforderlich, um ein Nitrid, Carbonitrid, Bornitrid oder Carbobornitrid zu bilden. Der Gehalt dieses Stickstoffs wird in der Zusammensetzung der Schicht A mit N1-a-b-c abhängig von der Menge von B und C (dem Wert von a oder b in der Zusammensetzungsformel) oder der Menge von O (dem Wert von c in der Zusammensetzungsformel) angegeben.
- Bor (B) wird selektiv einbezogen, um ein Bornitrid und Carbobornitrid zu bilden. Wenn es jedoch einbezogen und zuviel zugesetzt wird, werden weiche B-Verbindungen ausgeschieden, die eine Verminderung der Härte und der Oxidationsbeständigkeit der Schicht A verursachen. Aus diesem Grund beträgt die Obergrenze bezogen auf das Atomverhältnis a 0,15 (0 ≤ a ≤ 0,15), vorzugsweise jedoch 0,1 oder weniger (0 ≤ a ≤ 0,1).
- Kohlenstoff (C) wird selektiv einbezogen, um Carbid und Carbonitrid zu bilden. Wenn C jedoch einbezogen und zuviel zugesetzt wird, führt dies zu einer Weichheit der Schicht A, und die Härte und Oxidationsbeständigkeit der Schicht A nehmen ab. Aus diesem Grund beträgt die Obergrenze bezogen auf das Atomverhältnis b 0,3 (0 ≤ b ≤ 0,3), vorzugsweise jedoch 0,2 oder weniger (0 ≤ b ≤ 0,2).
- Eine kleine Menge Sauerstoff (O) kann einbezogen werden, um die Härte der Schicht A zu erhöhen. Wenn die Sauerstoffmenge jedoch 0,1 bezogen auf das Atomverhältnis c übersteigt, nimmt der Oxidanteil in der Schicht(system) bzw. in dem Film zu und die Zähigkeit der Schicht(system) bzw. des Films wird beeinträchtigt. Aus diesem Grund beträgt die Obergrenze 0,1 oder weniger (0 ≤ c ≤ 0,1).
- Zusammensetzung der Schicht B
- Die Schicht B dient im Wesentlichen der Verleihung von Eigenschaften, welche die Schicht A nicht aufweist, oder zur Verbesserung der Eigenschaften der Schicht A. Aus diesem Grund werden erfindungsgemäß, wenn die Schicht B abwechselnd mit der Schicht A abgeschieden wird, die Verbindungen der folgenden vier Zusammensetzungsformeln 1 bis 4 gemäß ihrer Eigenschaften und des Zwecks ausgewählt.
Formel 2: B1-x-yCxNy [worin 0 ≤ x ≤ 0,25 und B/N ≤ 1,5],
Formel 3: Si1-x-yCxNy [worin 0 ≤ x ≤ 0,25 und 0,5 ≤ Si/N ≤ 2,0],
Formel 4: C1-xNx [worin 0 ≤ x ≤ 0,6],
Formel 5: Cu1-y(CxN1-x)y [worin 0 ≤ x ≤ 0,1 und 0 ≤ y ≤ 0,5]. - Die Verbindungen, die durch die vorstehend genannten vier Formeln dargestellt werden, weisen Kristallstrukturen auf, die von der Kristallstruktur der Verbindung der Schicht A verschieden sind. Durch Abscheiden dieser Verbindungen zusammen mit der Schicht A wird das Wachstum der Kristallteilchen der Schicht A unterbrochen und die Feinheit der Kristallteilchen kann verbessert werden. Als Ergebnis kann die Härte des Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms beträchtlich erhöht werden.
- Von den vorstehenden Verbindungen mit Zusammensetzungen, die durch die vorstehend genannten vier Formeln dargestellt werden, kann dann, wenn die B-Nitridverbindung oder Carbonitridverbindung der Formel 2 und die Kohlenstoff- oder Nitrokohlenstoffverbindung der Formel 4 mit der Schicht A abgeschieden werden, ein Gleitvermögen verliehen werden, das in der Schicht A nicht vorliegt. Von diesen Verbindungen ist die B-Verbindung der Formel 2 bei hoher Temperatur stabil und weist von normaler Temperatur bis zu einer hohen Temperatur ein überlegenes Gleitvermögen auf. Die C-Verbindung der Formel 4 weist ein besseres Gleitvermögen bei niedriger Temperatur auf als die B-Verbindung der Formel 2. Diese Formeln (Zusammensetzungsbereiche) der B-Verbindung der Formel 2 und der C-Verbindung der Formel 4 sind beides Zusammensetzungsbereiche, die erforderlich sind, um ein Gleitvermögen sicherzustellen.
- In der vorstehend genannten Formel 2 der B-Verbindung beträgt das Atomverhältnis x von C 0,25 oder weniger (0 ≤ x ≤ 0,25), vorzugsweise 0,2 oder weniger, um dieses Gleitvermögen sicherzustellen. In dem Fall einer B-reichen Verbindung, bei der BIN in der Formel 2 1,5 übersteigt, geht das Gleitvermögen verloren. Daher beträgt die Obergrenze von B/N, das Verhältnis von B zu N, 1,5 oder weniger (B/N ≤ 1,5), jedoch mehr bevorzugt 1,2 oder weniger (B/N ≤ 1,2). In der Formel 2 wird das Atomverhältnis y der Stickstoffmenge aus dem Verhältnis von B zu N in ausgewogener Weise mit der Menge an C festgelegt, so dass der Bereich nicht von y allein bestimmt werden kann. Mit anderen Worten: Wenn die Menge an C festgelegt wird, werden die Mengen von B und N, einschließlich y, durch B/N festgelegt, so dass dann, wenn der Bereich von B/N festgelegt wird, kein Bedarf zur unabhängigen Festlegung von y besteht.
- Die Si-Verbindung der Formel 3, bei der es sich um ein Si-Nitrid oder -Carbonitrid handelt, weist dann, wenn sie mit der Schicht A kombiniert wird, den Effekt einer weiteren Erhöhung der Oxidationsbeständigkeit auf. In der Formel 3 besteht dann, wenn die Menge an C (Atomverhältnis x) groß ist, eine Tendenz dahingehend, dass die Schicht(system)- bzw. Filmhärte vermindert wird, so dass die Obergrenze des Atomverhältnisses x von C 0,25 (0 ≤ x ≤ 0,25), mehr bevorzugt jedoch 0,2 (0 ≤ x ≤ 0,2) oder weniger beträgt. Der Grund dafür, warum Si/N, das Verhältnis von Si und N, festgelegt wird, liegt darin, dass dann, wenn das Si/N-Verhältnis außerhalb des vorgegebenen Bereichs (0,5 ≤ Si/N ≤ 2,0), mehr bevorzugt 0,5 ≤ Si/N ≤ 1,4, liegt, die Härte beträchtlich abnimmt und die Härteeigenschaften des Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Films als Ganzes schlechter werden. In der Formel 3 wird das Atomverhältnis y der Stickstoffmenge aus dem Verhältnis von Si zu N in ausgewogener Weise mit der Menge an C festgelegt, so dass der Bereich nicht von y allein bestimmt werden kann. Mit anderen Worten: Wenn die Menge an C festgelegt wird, werden die Mengen von Si und N, einschließlich y, durch Si/N festgelegt, so dass dann, wenn der Bereich von Si/N festgelegt wird, kein Bedarf zur unabhängigen Festlegung des Bereichs von y besteht.
- In der Formel 4 der Kohlenstoff- oder Nitrokohlenstoffverbindung nimmt dann, wenn das Atomverhältnis von x der Menge von C zu groß ist und 0,6 übersteigt, das Gleitvermögen ab. Daher beträgt die Obergrenze des Atomverhältnisses x von C 0,6 oder weniger (0 ≤ x ≤ 0,6).
- Wenn die Verbindung der Formel 5, bei der es sich um eine Cu-Nitrid oder -Carbonitridverbindung handelt, mit der Schicht A in dem angegebenen Zusammensetzungsbereich kombiniert wird, kann eine Zunahme der Härte erhalten werden. Außerhalb dieses Zusammensetzungsbereichs, z. B. wenn die Obergrenze des Atomverhältnisses x 0,1 übersteigt, oder das Atomverhältnis y von dem vorstehend genannten (CxN1-x)y 0,5 übersteigt, findet selbst dann keine Zunahme der Härte statt, wenn die Verbindung mit der Schicht A kombiniert wird. Daher liegen x bzw. y innerhalb der Bereiche 0 ≤ x ≤ 0,1 bzw. 0 ≤ y ≤ 0, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
- Als nächstes werden einige Beispiele einer kombinierten Beschichtungsvorrichtung, die zur Herstellung des erfindungsgemäßen Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms geeignet ist, unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Die
5 ist eine Draufsicht, die eine Ausführungsform der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung zeigt. Die6 ist eine Draufsicht, die eine Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung eines Vergleichsbeispiels zeigt. Die8 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Beispiel der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung zeigt. Die9 ist eine Draufsicht, die ein weiteres Beispiel der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung zeigt. - In den in den
5 und6 gezeigten Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtungen wird eine Mehrzahl von Substraten1 (vier symmetrische Substrate in der5 ) innerhalb einer Kammer8 auf einer Drehplattform angeordnet. Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 und Lichtbogenverdampfungsquellen5 ,6 sind in einer kreisförmigen Anordnung (in einem Kreis) um diese Drehplattform derart angeordnet, dass die Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 und die Lichtbogenverdampfungsquellen5 ,6 zueinander symmetrisch sind. Die Sputterzerstäubungsquellen und die Lichtbogenverdampfungsquellen sind abwechselnd angrenzend aneinander angeordnet. - Die Substrate
1 werden durch die Drehung der Drehplattform9 so gedreht, dass die Substrate1 abwechselnd an der Vorderseite der Lichtbogenverdampfungsquellen5 ,6 und der Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 vorbeigeleitet werden. In diesem Fall können auch die Lichtbogenverdampfungsquellen5 ,6 und die Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 um die Substrate1 gedreht werden, ohne die Drehplattform9 oder die Substrate1 zu drehen, oder, mit anderen Worten, die Substrate, auf denen der Film bzw. Schicht(system) gebildet werden soll, müssen lediglich eine Einrichtung zum relativen Verschieben der Substrate eines nach dem anderen zwischen den Lichtbogenverdampfungsquellen und den Sputterzerstäubungsquellen aufweisen. - Alternativ können die Sputterzerstäubungsquellen
2 ,3 und die Lichtbogenverdampfungsquellen5 ,6 abwechselnd in Reihe wie z. B. einer geraden Linie angeordnet werden, ohne sie in einer kreisförmigen Anordnung anzuordnen, und die Substrate, auf denen der Film bzw. Schicht(system) gebildet werden soll, werden eines nach dem anderen zwischen den Lichtbogenverdampfungsquellen und den Sputterzerstäubungsquellen relativ verschoben. - Wenn ein Hartfilm bzw. -schicht wie z. B. TiAlN unter Verwendung der Lichtbogenverdampfungsquellen
5 ,6 gebildet werden soll, wird das Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff, Methan oder Acetylen in die Kammer8 eingeführt, und die Beschichtung bzw. Filmbildung wird unter Verwendung eines TiAl-Targets in einer Atmosphäre, die das Reaktivgas mit einem Druck von etwa mehreren Pa enthält, durchgeführt. - Entsprechend wird dann, wenn ein Hartfilm bzw. -schicht wie z. B. TiAlN unter Verwendung der Sputterzerstäubungsquellen
2 ,3 gebildet wird, ein TiAl-Target verwendet, das mit demjenigen identisch ist, das verwendet wird, wenn die Beschichtung bzw. Filmbildung unter Verwendung eines Lichtbogens durchgeführt wird. Inertgase wie z. B. Ar, Ne, Xe, bei denen es sich um Sputtergase handelt, werden jedoch mit dem Reaktivgas wie z. B. Stickstoff gemischt, und der Gesamtdruck der Atmosphäre ist nur ein Bruchteil von 1 Pa, wobei es sich um einen niedrigeren Druck handelt, wie wenn die Beschichtung bzw. Filmbildung unter Verwendung eines Lichtbogens durchgeführt wird. - Folglich werden Schichten bzw. Filme aufeinander folgend durch Sputtern oder mittels Lichtbogen durch Drehen der Drehplattform
9 und der Substrate1 derart gebildet, dass die Substrate1 abwechselnd vor den Lichtbogenverdampfungsquellen5 ,6 und den Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 vorbeigeleitet werden und Hartstoff-Schichten bzw. Hartfilme mit identischen oder verschiedenen Zusammensetzungen und Dicken werden aufeinander folgend in mehreren Schichten auf den Substraten1 unter Verwendung identischer oder verschiedener Hartmaterialien gebildet. - Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds
- Die in den
5 und6 gezeigten Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtungen nutzen ein Magnetfeld10 , das durch eine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds4 , wie z. B. einen Permanentmagneten, erzeugt und gesteuert wird, mit dem die Lichtbogenverdampfungsquellen5 ,6 und die Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 ausgestattet sind. - Wenn dieses Magnetfeld
10 jedoch in der erfindungsgemäßen Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung von5 eingesetzt wird, sind die Magnetfelder10 der beiden angrenzenden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen, z. B. die Magnetfelder10 zwischen z. B. der Lichtbogenverdampfungsquelle5 und den Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 miteinander verbunden. Mit anderen Worten: Während der Beschichtung bzw. Filmbildung ist die vorstehend genannte Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds4 so angeordnet, dass die Magnetkraftlinien (Magnetfeld10 ) angrenzender Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen miteinander verbunden sind. - Daher ist das Magnetfeld
10 (Magnetkraftlinien) in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer8 geschlossen (geschlossenes Magnetfeld) und Elektronen, die von den Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen abgegeben werden, werden in diesem geschlossenen Magnetfeld eingefangen, so dass sie nicht leicht von der Kammer8 angezogen werden, die in der gleichen Weise wie das Substrat1 eine Anode bildet. Als Folge davon nimmt die Konzentration abgegebener Elektronen zu, die Kollisionen zwischen dem Sputtergas und dem Reaktionsgas nehmen zu und es kann eine hocheffiziente Gasionisierung stattfinden. - Selbst wenn die Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und die Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung, die in der
1 gezeigt ist, in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer gleichzeitig durchgeführt werden, nimmt die Ionenbündelung von den beiden angrenzenden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen zu, die Ionenbestrahlung der beiden Substrate1 nimmt zu und es kann ein Schichtsystem bzw. Film bzw. Schicht mit überlegenen Eigenschaften erzeugt werden. - Andererseits sind in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung des in der
6 gezeigten Vergleichsbeispiels die Magnetfelder10 der beiden angrenzenden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen, z. B. die Magnetfelder10 zwischen der Lichtbogenverdampfungsquelle5 und den Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 , nicht miteinander verbunden und unabhängig. - Somit ist das Magnetfeld
10 (Magnetkraftlinien) in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer8 offen (offenes Magnetfeld) und Elektronen, die von den Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen abgegeben werden, werden von der Kammer8 in der Richtung der Magnetfelder10 (Magnetkraftlinien) schnell (leicht) angezogen. Als Folge davon ist die Konzentration abgegebener Elektronen gering, Kollisionen zwischen dem Sputtergas und dem Reaktionsgas finden weniger statt und die Gasionisierungseffizienz ist gering, wenn die Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und die Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer gleichzeitig durchgeführt werden. - Daher ist in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung des Vergleichsbeispiels von
6 die Ionenbündelung von den beiden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen schwach, die Ionenbestrahlung des Substrats nimmt ab und es liegt eine höhere Wahrscheinlichkeit einer Störung der Beschichtungs- bzw. Filmbildungseigenschaften oder der Beschichtungs- bzw. Filmbildungseffizienz vor. - Verifikation der Zunahme der Ionenbestrahlung
- Der Ionenstrom, der durch die Substrate
1 fließt, wurde unter Verwendung der in den5 und6 gezeigten Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtungen gemessen. In der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung, die in der5 gezeigt ist, wurde gefunden, dass durch die Substrate1 ein Ionenstrom von etwa 14 mA/cm2 fließt, was zeigt, dass der Ionenstrom, der durch die Substrate1 fließt, deutlich zugenommen hat. Andererseits betrug der Ionenstrom, der durch die Substrate1 fließt, im Fall der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung des Vergleichsbeispiels von6 nur etwa die Hälfte dieses Werts, d. h. 7 mA/cm2, was zeigt, dass der Ionenstrom, der durch die Substrate1 fließt, nicht zugenommen hat. Dieses Ergebnis bestätigt auch, dass in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung die Ionenbestrahlung des Substrats erhöht ist, so dass ein Schichtsystem bzw. Film bzw. Schicht mit überlegenen Eigenschaften gebildet wird. - Weitere Variation der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung Als nächstes wird ein weiteres Beispiel der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung unter Bezugnahme auf die
8 beschrieben. In der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung, die in der8 gezeigt ist, sind die Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 und die Lichtbogenverdampfungsquellen5 ,6 nicht in einer kreisförmigen Anordnung, wie sie in der5 gezeigt ist, angeordnet, sondern abwechselnd in einer geraden Linie in der Kammer8 . Die Anordnung der Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen kann anstelle einer geraden Linie eine Kurve darstellen und die Anzahl der Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen kann frei gewählt werden. - Im Fall der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung von
8 werden die Substrate1 , die behandelt werden sollen, oder die Lichtbogenverdampfungsquellen5 ,6 und die Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 mit einer geeigneten Einrichtung relativ verschoben, so dass die Substrate1 abwechselnd vor den Lichtbogenverdampfungsquellen5 ,6 und den Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 vorbeigeleitet werden. Die Hart(film)schichtkomponente wird dann unter Verwendung der Lichtbogenverdampfungsquellen5 ,6 bzw. unter Verwendung der Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 in einer Atmosphäre, die das Reaktionsgas in der Kammer8 enthält, verdampft bzw. zerstäubt, so dass eine Hartfilmschicht abwechselnd und aufeinander folgend mit einer Hartfilmschicht auf den Substraten1 abgeschieden wird, um den gewünschten Hartfilm bzw. -(stoff)schicht bzw. -(stoff)schichtsystem zu bilden. - Auch in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung von
8 sind die Magnetfelder10 der beiden angrenzenden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen, z. B. die Magnetfelder10 der Lichtbogenverdampfungsquelle5 und der Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 miteinander verbunden. Insbesondere ist die vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds4 so konfiguriert, dass während der Beschichtung bzw. Filmbildung die Magnetkraftlinien der angrenzenden Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen miteinander verbunden sind. Daher ist das Magnetfeld10 in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer8 geschlossen (geschlossenes Magnetfeld), und die Elektronen, die von den Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen abgegeben werden, werden durch dieses geschlossene Magnetfeld eingefangen, so dass sie nicht leicht von der Kammer8 angezogen werden, die wie die Substrate1 eine Anode ist. Als Folge davon nimmt in der gleichen Weise wie in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung von5 die Konzentration der abgegebenen Elektronen zu, die Kollisionen zwischen dem Sputtergas und dem Reaktionsgas nehmen zu und eine hocheffiziente Gasionisierung kann stattfinden. - Stickstoffpartialdruck
- In der vorstehend beschriebenen Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung, die in den
5 und8 gezeigt ist, ist es bevorzugt, dass Stickstoff mit dem Sputtergas gemischt wird, so dass der Partialdruck des Mischstickstoffs 0,5 Pa oder mehr beträgt, wenn die Lichtbogenverdampfungsquellen und die Sputterzerstäubungsquellen gleichzeitig betrieben werden und ein Stickstoff-enthaltender Hartfilm bzw. -schicht bzw. -schichtsystem wird gebildet. - Wie es vorstehend beschrieben worden ist, unterscheiden sich die Umgebungsgasbedingungen und die Druckbedingungen bei der Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und der Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung stark. Folglich beträgt z. B. gemäß K. H. Kim et al., Surf. Coat. Technol., dann, wenn ein Hartfilm bzw. -schicht wie z. B. TiSiN durch gleichzeitiges Betreiben der Lichtbogenverdampfungsquellen und der Sputterzerstäubungsquellen gebildet wird, das Verhältnis von Ar, bei dem es sich um das Sputtergas handelt, zu dem Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff 3:1, der Gesamtdruck liegt in der Größenordnung von 0,08 Pa, der Stickstoffpartialdruck liegt in der Größenordnung von 0,02 Pa, Ti wird durch die Lichtbogenverdampfungsquellen und Si wird durch die Sputterzerstäubungsquellen verdampft bzw. zerstäubt.
- Wenn jedoch die Beschichtung bzw. Filmbildung unter diesen Bedingungen durchgeführt wird, ist der Partialdruck von Stickstoff in dem gasförmigen Gemisch zu niedrig, so dass dem Hartfilm bzw. -schicht nicht genügend Stickstoff hinzugefügt wird und die Makroteilchen in dem Hartfilm bzw. -schicht zunehmen. Als Folge davon ist es schwierig, einen feinen Film bzw. Schicht zu bilden.
- Um dem Hartfilm bzw. -schicht ausreichend Stickstoff hinzuzufügen, die Erzeugung von Makroteilchen in dem Hartfilm bzw. -schicht zu steuern und einen feinen Film bzw. -schicht mit überlegenen Oberflächeneigenschaften zu bilden, wie es vorstehend beschrieben worden ist, beträgt der Partialdruck von Stickstoff, der mit dem Sputtergas gemischt ist, vorzugsweise 0,5 Pa oder mehr.
- Der Effekt dieses Stickstoffpartialdrucks wurde in dem Fall der Bildung eines TiAlCrN-Hartfilms bzw. -schicht durch gleichzeitiges Betreiben der Lichtbogenverdampfungsquellen und der Sputterzerstäubungsquellen unter Verwendung der in der
3 gezeigten Beschichtungs- bzw. Film bildungsvorrichtung untersucht. Während eine TiAl-Legierung (Ti50:Al50) durch die Lichtbogenverdampfungsquellen verdampft wurde, wurde Cr gleichzeitig durch die Sputterzerstäubungsquellen zerstäubt, und das Verhältnis von Ar, bei dem es sich um das Sputtergas handelte, zu Stickstoff, bei dem es sich um das Reaktionsgas handelte (Stickstoffpartialdruck) wurde mehrmals variiert. Bei jeder Gelegenheit wurden der Stickstoffgehalt in dem Hartfilm bzw. -schicht (Atom-%), die Oberflächenrauhigkeit Ra des Hartfilms bzw. -schicht und die Vickers-Härte (Hv) gemessen. - Die
10 bis12 zeigen die Ergebnisse, die aufgrund dieses Stickstoffpartialdrucks erhalten wurden. Die10 zeigt die Beziehung zwischen dem Stickstoffpartialdruck und dem Stickstoffgehalt des Hartfilms bzw. -schicht, die11 zeigt die Beziehung zwischen dem Stickstoffpartialdruck und der Oberflächenrauhigkeit Ra des Hartfilms bzw. -schicht und die12 zeigt die Beziehung zwischen dem Stickstoffpartialdruck und der Vickershärte des Hartfilms bzw. -schicht. - Wie es aus der
10 ersichtlich ist, zeigt der Stickstoffgehalt des Hartfilms bzw. -schicht an der Grenzlinie, bei welcher der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa beträgt, eine deutliche Differenz. Insbesondere in dem Bereich, in dem der Stickstoffpartialdruck weniger als 0,5 Pa beträgt, nimmt der Stickstoffgehalt des Hartfilms bzw. -schicht im Vergleich zu dem Bereich, bei dem der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa oder mehr beträgt, mehr oder weniger stetig beträchtlich ab. Andererseits ist in dem Bereich, bei dem der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa oder mehr beträgt, der Stickstoffgehalt des Hartfilms bzw. -schicht auf einem hohen Niveau von etwa 50 Atom-% stabil. - Wie es aus der
11 ersichtlich ist, zeigt die Oberflächenrauhigkeit Ra des Hartfilms bzw. -schicht an der Grenzlinie, bei welcher der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa beträgt, ebenfalls eine deutliche Differenz. Insbesondere in dem Bereich, in dem der Stickstoffpartialdruck weniger als 0,5 Pa beträgt, nimmt die Oberflächenrauhigkeit Ra des Hartfilms bzw. -schicht schnell auf etwa 0,38 μm zu. Andererseits ist in dem Bereich, bei dem der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa oder mehr beträgt, die Oberflächenrauhigkeit Ra des Hartfilms bzw. -schicht auf einem niedrigen Niveau von 0,1 μm oder weniger effektiv stabil. - Wie es aus der
12 ersichtlich ist, zeigt darüber hinaus auch die Vickers-Härte des Hartfilms bzw. -schicht an der Grenzlinie, bei welcher der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa beträgt, eine deutliche Differenz. Insbesondere in dem Bereich, in dem der Stickstoffpartialdruck weniger als 0,5 Pa beträgt, sinkt die Vickers-Härte schnell auf ein Niveau von 1100 Hv. Andererseits ist in dem Bereich, bei dem der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa oder mehr beträgt, die Vickers-Härte des Hartfilms bzw. -schicht auf einem hohen Niveau von etwa 2500 Hv stabil. - Aus diesen Ergebnissen zeigt sich die Wichtigkeit der Aufrechterhaltung des Partialdrucks von Stickstoff, der mit dem Sputtergas gemischt ist, bei 0,5 Pa oder mehr, bei der Sicherstellung eines ausreichenden Hinzufügens von Stickstoff zu dem Hartfilm bzw. -schicht(system), der Unterdrückung der Bildung von Makroteilchen in dem Hartfilm bzw. -schicht(system) und der Bildung eines feinen Films bzw. Schicht(systems) mit überlegenen Oberflächeneigenschaften. Es sollte beachtet werden, dass diese Ergebnisse und Trends neben TiAlCrN, das untersucht wurde, auch für andere Hartfilme bzw. -schichten gelten, d. h. für TiN, TiCN oder TiAlN.
- Anomale elektrische Entladung aufgrund einer Isolatorbildung
- Wenn die Beschichtung bzw. Filmbildung durchgeführt wird, wenn der Stickstoffpartialdruck 0,5 Pa oder mehr beträgt und die Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und die Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung gleichzeitig in der gleichen Beschichtungs- bzw. Filmbildungskammer durchgeführt werden, können abhängig von dem Material, das als Sputterzerstäubungsquelle verwendet wird, jedoch auch andere Probleme auftreten. Insbesondere kann das Sputtertargetmaterial mit dem Reaktionsgas unter Bildung eines Isolators (isolierende Substanz) auf der Targetmaterialoberfläche reagieren und aufgrund dieses Isolators kann in der Sputterzerstäubungsquelle eine anomale elektrische Entladung (Lichtbogenbildung) stattfinden. Wenn beispielsweise Si als Targetmaterial verwendet wird und dieses Targetmaterial in Stickstoff gesputtert wird, besteht eine Tendenz dahingehend, dass Si mit Stickstoff unter Bildung eines SiN-Isolators auf der Targetmaterialoberfläche reagiert, was leicht zu dieser anomalen elektrischen Entladung führt.
- Selbst wenn dieser Isolator nicht gebildet wird, kann dann, wenn aufgrund einer Reaktion zwischen dem Sputtertargetmaterial und dem Reaktionsgas eine Verbindung auf der Targetmaterialoberfläche gebildet wird, die Zerstäubungssgeschwindigkeit in der Sputterzerstäubungsquelle aufgrund der Gegenwart dieser Oberflächenverbundschicht abnehmen. Diese Probleme stören auch eine hocheffiziente Gasionisierung.
- Um diese Probleme zu beseitigen, wurde im Stand der Technik der Partialdruck des Reaktionsgases wie z. B. Stickstoff relativ zu dem Sputtergas niedrig gehalten, um eine Reaktion zwischen dem Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff mit dem Sputtertargetmaterial zu unterdrücken, so dass das Sputtern des Targetmaterials durch das Sputtergas gefördert wurde.
- Dies ist auch der Grund dafür, warum in K. H. Kim et al., Surf. Coat. Technol., dann, wenn ein Hartfilm bzw. -schicht wie z. B. TiSiN durch gleichzeitiges Betreiben der Lichtbogenverdampfungsquellen und der Sputterzerstäubungsquelle gebildet wurde, der Partialdruck des Reaktionsgases wie z. B. Stickstoff relativ zu Ar, dem Sputtergas, niedrig gemacht wurde, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
- Wie es vorstehend beschrieben worden ist, besteht jedoch dann, wenn ein Schichtsystem bzw. Film bzw. Schicht unter Verwendung der in der
5 oder6 gezeigten Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtungen gebildet wird, eine große Differenz zwischen Atmosphärenzusammensetzungen und Druckbereichen während der Lichtbogenbeschichtung bzw. -filmbildung und der Sputterbeschichtung bzw. -filmbildung. Wenn daher eine Lichtbogenverdampfungsquelle, die einen relativ hohen Druck erfordert, und eine Sputterzerstäubungsquelle zur Bildung eines Schichtsystems bzw. Films bzw. Schicht gleichzeitig betrieben werden, muss der Partialdruck des Reaktionsgases, wie z. B. Stickstoff, relativ zu dem Sputtergas erhöht werden, was die Möglichkeit verstärkt, dass die vorstehenden Probleme auftreten. - Verfahren zum Einführen von Umgebungsgas
- Um dieses Problem zu lösen wird während der Beschichtung bzw. Filmbildung das Sputtergas in die Kammer in der Nähe der Sputterzerstäubungsquellen eingeführt und das Reaktionsgas wird in die Kammer in der Nähe der Lichtbogenverdampfungsquellen eingeführt. Diese Anordnung ist in der
9 gezeigt. Der Grundaufbau der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung in der9 ist mit demjenigen von5 identisch, jedoch wird während der Beschichtung bzw. Filmbildung das Sputtergas in der Nähe der Sputterzerstäubungsquellen und das Reaktionsgas in der Nähe der Lichtbogenverdampfungsquellen eingeführt. - Insbesondere wird in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung von
9 das Sputtergas während der Beschichtung bzw. Filmbildung in der Nähe der Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 durch ein Führungsrohr12 und die Verzweigungsrohre12a ,12b eingeführt. Das Reaktionsgas wird in der Nähe der Lichtbogenverdampfungsquellen5 ,6 durch ein Führungsrohr11 und Verzweigungsrohre11a ,11b eingeführt. - Aufgrund dieser Anordnung wird der Partialdruck des Reaktionsgases wie z. B. Stickstoff relativ zu dem Einlasssputtergas in der Nähe der Sputterzerstäubungsquellen
2 ,3 niedrig gehalten, so dass eine Reaktion zwischen dem Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff mit dem Sputtertargetmaterial unterdrückt und das Sputtern des Targetmaterials durch das Sputtergas gefördert wird. - Andererseits kann das Verhältnis von Stickstoff, bei dem es sich um das Reaktionsgas handelt, relativ zu dem Sputtergas in der Atmosphäre in der Kammer (Stickstoffpartialdruck) erhöht werden, um die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsleistung zu verbessern. Ferner kann auch der Druck des Reaktionsgases gemäß den Beschichtungs- bzw. Filmbildungsbedingungen, die durch den Lichtbogen erzeugt werden, in der Nähe der Lichtbogenverdampfungsquellen
5 ,6 erhöht werden. - Unabhängig davon, ob diese Umgebungsgase im Zusammenhang mit einer Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds, wie z. B. derjenigen, die in den
5 und9 gezeigt ist, eingeführt oder allein verwendet werden, findet ein Mischen des Reaktionsgases wie z. B. Stickstoff mit dem inerten Sputtergas nicht leicht statt, so dass die Bildung eines Isolierfilms bzw. -schicht auf der Targetoberfläche aufgrund des ionisierten Gasgemischs, der zu einer anomalen elektrischen Entladung führt, unterdrückt wird. Somit kann eine hocheffiziente Gasionisierung stattfinden. - Anomale elektrische Entladung aufgrund eines Magnetfelds
- Eine anomale elektrische Entladung in dem Sputtertarget kann nicht nur aufgrund der Bildung eines elektrischen Isolators auf der Targetmaterialoberfläche aufgrund einer Reaktion mit dem Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff erzeugt werden, sondern auch aufgrund anderer Ursachen.
- Dies kann als Problem beschrieben werden, das für eine Sputtersteuerung durch ein Magnetfeld, wie z. B. durch die vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds
4 , spezifisch ist. Dieses Problem wird nachstehend detailliert unter Bezugnahme auf die13A und13B beschrieben. Die14A und14B zeigen den detaillierten Aufbau der Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 . Die13A ist eine Draufsicht auf ein Targetmaterial20 in den Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 und die13B ist eine Vorderansicht der Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 . In der13B ist 4 eine Vorrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds,13 ist eine Abschirmung des Targetmaterials20 ,15 eine Erdung der Abschirmung13 ,14 eine Packungsplatte des Targetmaterials20 ,16 eine Sputter-Energieversorgung und17 eine Aufspannvorrichtung zum Fixieren des Targetmaterials20 . - Gemäß der
13B bilden die Magnetronsputterzerstäubungsquellen2 ,3 unter Verwendung eines Magnetfelds das Magnetfeld10 parallel zur Oberfläche des Targetmaterials20 und, wie es vorstehend beschrieben worden ist, Elektronen werden absichtlich eingefangen, um die Elektronendichte zu erhöhen, die Ionisierung des Sputtergases zu fördern und die Sputtereffizienz zu erhöhen. - In diesem Fall werden auf der Oberfläche des Targetmaterials, das in der
13A gezeigt ist, zwangsläufig ein Erosionsbereich21 und ein nicht-Erosionsbereich22 erzeugt. In dem Erosionsbereich21 , bei dem es sich um den schattierten Teil handelt, werden aus dem Sputtergas viele Ionen erzeugt, die Elektronendichte ist hoch und das Sputtern wird gefördert. Andererseits findet in den nicht-Erosionsbereichen22 des Mittelteils des Targetmaterials20 und des Teils, der den Erosionsbereich21 umgibt, kaum ein Sputtern statt. In den nicht-Erosionsbereichen22 reagieren gesputterte Teilchen von dem Erosionsbereich21 mit dem Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff und vereinigen sich damit und neigen zu einer Abscheiung. Als Folge davon bildet dieses abgeschiedene Material einen Isolator (isolierender Film bzw. Schicht) auf der Oberfläche des Targetmaterials und kann Probleme bezüglich einer elektrischen Entladung verursachen. - Sputterzerstäubungsquelle
- Um dieses Problem zu beseitigen, ist es während der Beschichtung bzw. Filmbildung bevorzugt, dass die Spannung nicht auf die nicht-Erosionsbereiche
22 der Sputterzerstäubungsquelle einwirkt. - Ein Mittel, um dies zu erreichen, ist die Verwendung eines Materials, bei dem es sich um einen elektrischen Isolator handelt, in den nicht-Erosionsbereichen außerhalb des Erosionsbereichs
21 . Die14A und14B zeigen ein Beispiel dafür, wobei der Grundaufbau der Vorrichtung mit demjenigen der13A und13B identisch ist. In den14A und14B wird in nicht-Erosionsbereichen23 in dem Mittelteil des Targetmaterials20 und dem Teil, der den Erosionsbereich21 umgibt, ein Material verwendet, bei dem es sich um einen elektrischen Isolator handelt, und bildet einen Isolator23 . Dieses Material ist vorzugsweise ein wärmebeständiges Material wie z. B. BN (Bornitrid) oder Aluminiumoxid, das der Wärme widerstehen kann, die in der Sputterzerstäubungsquelle erzeugt worden ist. - Die
15 zeigt ein anderes Mittel, um zu verhindern, dass eine Spannung auf den nicht-Erosionsbereich einwirkt, bei dem eine Abschirmung bereitgestellt ist, das an einem Schwebepotenzial oder an einem Erdungspotenzial bezogen auf das Potenzial des Sputtertargets in einem Teil außerhalb des Erosionsbereichs liegt. - In den
15A und15B ist der Grundaufbau der Vorrichtung ebenfalls mit den13A und13B identisch. In den15A und15B ist eine Abschirmung, die sich an einem Schwebepotenzial befindet, in einem nicht-Erosionsbereich25 in der Mitte des Targetmaterials20 bereitgestellt. Eine Abschirmung, die sich an einem Erdungspotenzial befindet (mit einer Erdung15 verbunden) ist ferner in einem nicht-Erosionsbereich24 bereitgestellt, der den Erosionsbereich21 umgibt. - Bei dem Aufbau, der in der
9 und der10 gezeigt ist, und bei dem verhindert wird, dass eine Spannung auf die nicht-Erosionsbereiche22 einwirkt, reagieren Teilchen, die von dem Erosionsbereich21 gesputtert werden, mit dem Reaktionsgas wie z. B. Stickstoff auf den nicht-Erosionsbereichen23 und vereinigen sich mit dem Reaktionsgas, und werden nicht abgeschieden. Daher wird verhindert, dass Probleme bezüglich einer elektrischen Entladung auftreten. - Als nächstes wird das Verfahren zur Bildung der Hartstoff-Schichtsysteme bzw. laminierten Hartfilme der vorliegenden Erfindung erläutert.
- Als erstes werden Probleme, die diesem Beschichtungs- bzw. Filmbildungsverfahren inhärent sind, und Verfahren zu deren Lösung beschrieben.
- Ein Verfahren zur Bildung der erfindungsgemäßen Hartstoff-Schichtsysteme bzw. laminierten Hartfilme ist z. B. die Kombination einer Mehrzahl von Sputterzerstäubungsquellen
2 ,3 gemäß der3 zur Bildung der Hartfilmschichten A, B auf dem Substrat1 . In diesem Fall wird z. B. die Hartfilmschicht A-Komponente von der Sputterzerstäubungsquelle2 als aufgestäubte bzw. aufgedampfte Substanz2a auf das Substrat1 aufgestäubt bzw. aufgedampft, und die Hartfilmschicht B-Komponente wird von der Sputterzerstäubungsquelle3 als aufgestäubte bzw. aufgedampfte Substanz3b auf das Substrat1 aufgestäubt bzw. aufgedampft. - Gemäß der
4 gibt es auch ein Verfahren zur Bildung der Hartfilmschichten A, B auf dem Substrat1 unter Verwendung einer Mehrzahl von Elektronenstrahlverdampfungsquellen5 ,6 . In diesem Fall wird z. B. die Hartfilmschicht A-Komponente von der Elektronenstrahlverdampfungsquelle5 als aufgedampfte Substanz5a auf das Substrat1 aufgedampft, und die Hartfilmschicht B-Komponente wird von der Elektronenstrahlverdampfungsquelle6 als aufgedampfte Substanz6b auf das Substrat1 aufgedampft. - Es ist jedoch am meisten bevorzugt, die Hartfilmschicht A unter Verwendung der Lichtbogenverdampfungsquelle aufzudampfen und die Hartfilmschicht B unter Verwendung der Sputterzerstäubungsquelle aufzustäuben bzw. aufzudampfen, um das erfindungsgemäße Schichtsystem bzw. Film in einer Atmosphäre zu bilden, die das Reaktionsgas enthält, wie es in der
5 gezeigt ist. - Dieses Beschichtungs- bzw. Filmbildungsverfahren aus einer Kombination der Lichtbogenverdampfungsquelle mit der Sputterzerstäubungsquelle und des aufeinander folgenden Verschiebens oder Vorbeileitens des Substrats vor der Lichtbogenverdampfungsquelle und der Sputterzerstäubungsquelle, so dass die Hartfilmschicht A-Komponente von der Lichtbogenverdampfungsquelle und die Hartfilmschicht B-Komponente von der Sputterzerstäubungsquelle abwechselnd und aufeinander folgend auf dem Substrat abgeschieden werden, weist verglichen mit den Beschichtungs- bzw. Filmbildungsverfahren gemäß den
3 ,4 die folgenden Vorteile auf. - Der signifikanteste Vorteil besteht darin, dass in dem Fall einer Lichtbogenverdampfung die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsgeschwindigkeit höher ist als bei einer Sputterzerstäubung. Folglich kann die Schicht A, deren Dicke etwa fünfmal größer sein muss als die Dicke der Schicht B, durch Bilden der Hartfilmschicht A-Komponente durch eine Lichtbogenverdampfungsquelle mit einer hohen Geschwindigkeit abgeschieden werden. Da ferner eine Sputterzerstäubungsquelle eine leichtere Einstellung der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsgeschwindigkeit ermöglicht als eine Lichtbogenverdampfungsquelle und betrieben werden kann, wenn die Eingangsleistung sehr klein ist (z. B. 0,1 kW), kann die Dicke einer Dünnfilmschicht wie z. B. der Schicht B genau gesteuert werden.
- Ferner kann durch die Kombination der Merkmale einer Lichtbogenverdampfung mit den Merkmalen einer Sputterzerstäubung das Verhältnis der Dicken der Schicht A und der Schicht B innerhalb eines bevorzugten Bereichs von Eingangsleistungen für die Lichtbogenverdampfungsquelle und die Sputterzerstäubungsquelle eingestellt werden, und durch anschließendes Variieren der Umdrehungen (Drehzahl, Verschiebungsgeschwindigkeit) des Substrats, kann die Wiederholungsperiode von Schicht A + Schicht B in der gewünschten Weise festgelegt werden. Die Dicke der Schicht A (die Kristallteilchengröße) kann ebenfalls in der gewünschten Weise eingestellt werden.
- Als nächstes wird das Verfahren (Beschichtungs- bzw. Filmbildungsverfahren) zur Bildung eines Hartstoff-Schichtsystems bzw. laminierten Hartfilms der vorliegenden Erfindung beschrieben.
- Das am meisten bevorzugte Verfahren besteht darin, eine Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung zu verwenden, die eine oder mehrere einer Lichtbogenverdampfungsquelle und einer Sputterzerstäubungsquelle in dem gleichen Vakuumbehälter umfasst, wie sie in der
5 gezeigt ist. Die Lichtbogenverdampfungsquelle und die Sputterzerstäubungsquelle werden in einer Beschichtungs- bzw. Filmbildungsatmosphäre, die das Reaktionsgas enthält, gleichzeitig betrieben, die Schicht A-Komponente wird durch die Lichtbogenverdampfungsquelle verdampft und die Schicht B-Komponente wird durch die Sputterzerstäubungsquelle verdampft, und das Substrat wird relativ zu den Verdampfungsquellen verschoben, so dass die Schicht A und die Schicht B abwechselnd auf dem Substrat abgeschieden werden. - Ein Grund dafür liegt darin, dass die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsgeschwindigkeit des Sputterverfahrens niedrig ist. Die Schicht B umfasst vorwiegend B, Si, C und Cu gemäß den Formeln 2 bis 5. Wenn folglich ein Target, das hauptsächlich diese Elemente umfasst (z. B. Si, B4C, C), in einer Lichtbogenentladung verwendet wird, ist die elektrische Entladung sehr instabil, und aufgrund der thermischen Belastung durch die Lichtbogenentladung können diese Targets zertrümmert werden. Darüber hinaus kann ein Cu-Target aufgrund einer Verdampfung durch die Lichtbogenentladung eine große Menge an geschmolzenen Tropfen (Makroteilchen) abgeben. Daher wird auch im Hinblick auf die Eigenschaften des Schicht B-Targets die Schicht B vorzugsweise mit einer Sputterzerstäubungsquelle gebildet.
- In einem Fall, bei dem die Schicht A TiAlN ist und die Schicht B BCN ist, werden erfindungsgemäß Ti, Al, bei denen es sich um die Schicht A-Komponenten handelt, mit den Lichtbogenverdampfungsquellen
5 ,6 verdampft, und B, C, bei denen es sich um die Schicht B-Komponenten handelt, werden durch die Sputterzerstäubungsquellen2 ,3 verdampft. Die Filmbildung wird dann in Ar, dem Sputtergas, und Stickstoff, dem Reaktionsgas durchgeführt. Das Substrat1 wird in der vorstehend beschriebenen Weise gedreht und durch abwechselndes Vorbeileiten des Substrats vor der Lichtbogenverdampfungsquelle und der Sputterzerstäubungsquelle werden TiAlN und BCN abwechselnd und aufeinander folgend auf dem Substrat abgeschieden, so dass das erfindungsgemäße Hartstoff-Schichtsystem bzw. laminierte Hartfilm einfach gebildet werden kann. - In dem Beschichtungs- bzw. Filmbildungsverfahren der vorliegenden Erfindung, das vorstehend beschrieben worden ist, ist die Beschichtungs- bzw. Filmbildungsatmosphäre dann, wenn die Lichtbogenverdampfungsquellen und die Sputterzerstäubungsquellen zur Bildung des Stickstoff-enthaltenden Hartfilms bzw. -schicht gleichzeitig betrieben werden, ein Gemisch aus einem Reaktivgas (Reaktionsgas), wie z. B. Stickstoff, Methan oder Acetylen, und einem Sputterinertgas, wie z. B. Ar (Argon), Ne (Neon) oder Xe (Xenon).
- Der Partialdruck des gemischten Reaktivgases beträgt vorzugsweise 0,5 Pa oder mehr. Wenn die Beschichtungs- bzw. Filmbildung durchgeführt wird, wenn der Partialdruck des gemischten Reaktivgases weniger als 0,5 Pa beträgt, wird dem Hartfilm bzw. -schicht zu wenig Stickstoff hinzugefügt und Makroteilchen in dem Hartfilm bzw. -schicht nehmen ebenfalls zu. Folglich kann nicht länger ein feiner Film bzw. Schicht erhalten werden.
- Um folglich dem Hartfilm bzw. -schicht Stickstoff hinzuzufügen, die Bildung von Makroteilchen in dem Hartfilm bzw. -schicht zu unterdrücken und einen feinen Film bzw. Schicht mit überlegenen Oberflächeneigenschaften zu bilden, beträgt der Partialdruck des Reaktivgases, das mit dem Sputtergas gemischt ist, vorzugsweise 0,5 Pa oder mehr, wie es vorstehend beschrieben worden ist.
- Als nächstes wird die vorliegende Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf spezifische Beispiele beschrieben, jedoch sollte beachtet werden, dass die Erfindung nicht durch die Beispiele beschränkt wird und dass innerhalb des Schutzbereichs der beigefügten Ansprüche, die Teil der vorliegenden Anmeldung sind, verschiedene Modifizierungen möglich sind.
- Beispiel 1-1
- Hartstoff-Schichtsysteme bzw. laminierte Hartschichten bzw. -filme und Einschicht-Hartfilme bzw. Hartstoff-Systeme wurden unter verschiedenen Bedingungen gebildet, die Schichtsystem- bzw. Filmhärte wurde untersucht und der Effekt abwechselnder Schichten A und B gemäß der vorliegenden Erfindung zusammen mit dem Effekt der Dicken der Schichten A und B wurden bewertet.
- Im Fall des Lichtbogenbeschichtungs- bzw. -filmbildungsverfahrens wurden Schicht(system/en) bzw. Filme unter Verwendung von nur der Lichtbogenverdampfungsquelle in der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung gemäß der
5 , die Lichtbogen- und Sputterzerstäubungsquellen aufwies, gebildet. Im Fall des Sputterbeschichtungs- bzw. -filmbildungsverfahrens wurden Schicht(system/en) bzw. Filme unter Verwendung der in der3 gezeigten Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung gebildet, die nur zwei Sputterzerstäubungsquellen aufweist. In dem Fall des Lichtbogen- + Sputterbeschichtungs- bzw. -filmbildungsverfahrens wurden Schicht(systeme/en) bzw. Filme mit der in der Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzung mit der Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtung gemäß der5 gebildet, die Lichtbogen- und Sputterzerstäubungsquellen aufwies. - In allen diesen Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtungen wurde nach dem Einbringen des Substrats in diese Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtungen die Substrattemperatur auf etwa 400 bis 500°C erhöht, die Vorrichtung wurde unter ein Vakuum von 3 × 10–3 Pa oder weniger gesetzt, mit Ar-Ionen wurde ein Reinigen durchgeführt (Druck 0,6 Pa, Substratspannung 500 V, Behandlungszeit 5 min) und anschließend wurden Schicht(systeme/en) bzw. Filme gebildet.
- In allen diesen Beschichtungs- bzw. Filmbildungsvorrichtungen wurde die Beschichtungs- bzw. Filmbildungstemperatur auf einen Wert zwischen 400 und 500°C eingestellt. Das Substrat war eine hochglanzpolierte superharte Legierung. Zur Bildung der Schicht A wurde ein Target verwendet, das die Metallkomponente in der Schicht A von Tabelle 1 enthielt, und zur Bildung der Schicht B wurden B4C-, C-, Si- und Cu-Targets verwendet.
- In jedem dieser Beispiele lag die Dicke des Schichtsystems bzw. laminierten Films (Filmdicke) konstant bei etwa 3 μm (3000 nm). Die Dicke der Schicht A wurde innerhalb des Bereichs von 2 bis 250 nm variiert und die Dicke der Schicht B wurde innerhalb des Bereichs von 0,2 bis 30 nm variiert.
- In dem Fall der Sputterbeschichtungs- bzw. -filmbildungsvorrichtung von
3 war während der Beschichtungs- bzw. Filmbildung die Atmosphäre zur Bildung eines Metallfilms bzw. -schicht reines Ar, zur Bildung eines Nitrids war die Atmosphäre ein gasförmiges Gemisch aus Ar und Stickstoff (Mischungsverhältnis 65:35) und zur Bildung eines Carbonitrids war die Atmosphäre ein gasförmiges Gemisch aus Ar, Stickstoff und Methan (Mischungsverhältnis 65:30:5), wobei der Gesamtdruck 0,6 Pa betrug, und de Dicken der Schicht A und der Schicht B wurden durch die Betriebszeiten der Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen eingestellt. - Im Fall der in der
5 gezeigten kombinierten Beschichtungsvorrichtung wurden Schicht(systeme/en) bzw. Filme unter Verwendung eines gasförmigen Gemischs aus Ar und Stickstoff (Mischungsverhältnis 50:50) gebildet, und Carbonitride wurden unter Verwendung eines gasförmigen Gemischs aus Ar, Stickstoff und Methan (Mischungsverhältnis 50:45:5) gebildet, wobei der Gesamtdruck 2,66 Pa betrug. Ferner wurde die Schicht A durch die Lichtbogenverdampfungsquelle gebildet und die Schicht B wurde durch die Sputterzerstäubungsquelle gebildet. Die Dicken der Schicht A und der Schicht B wurden durch das Eingangsleistungsverhältnis für die Verdampfungs- bzw. Zerstäubungsquellen festgelegt und die Gesamtdicke des Schichtsystems bzw. laminierten Films aus Schicht A + Schicht B wurden durch die Substratrotationsperiode festgelegt. - Die Vickers-Härte jedes dieser Schicht(systeme/en) bzw. Filme wurde durch ein Mikro-Vickers-Härtemessgerät (Messlast 0,245 N (25 gf):Hv 0,25) bewertet.
- Die Beschichtungs- bzw. Laminierungsabfolge und die Dicken der Schicht A und der Schicht B wurden aus einer TEM-Querschnittsphotographie ermittelt. Die Zusammensetzung wurde in der Schicht(system)- bzw. Filmtiefenrichtung mittels Auger-Elektronenspektroskopie analysiert. Die Tabelle 1 zeigt diese Ergebnisse.
- Gemäß der Tabelle 1 ist in dem Fall der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 die Schicht B nicht bereitgestellt und es liegt nur eine einzelne Schicht A vor. Andererseits wiesen bei einem Vergleich der erfindungsgemäßen Beispiele mit Vergleichsbeispielen, bei denen die Schicht A identische Zusammensetzungen aufweist, wie z. B. des Vergleichsbeispiels 1 mit den erfindungsgemäßen Beispielen 7 und 8, des Vergleichsbeispiels 3 mit den erfindungsgemäßen Beispielen 12 bis 14, des Vergleichsbeispiels 4 mit den erfindungsgemäßen Beispielen 17 bis 19, und des Vergleichsbeispiels 5 mit den erfindungsgemäßen Beispielen 22 bis 24, die erfindungsgemäßen Beispiele eine größere Härte auf als die Vergleichsbeispiele. Dies bestätigt den Effekt der abwechselnden Abscheidung der Schicht A und der Schicht B in der vorliegenden Erfindung.
- Ferner zeigen die Nr. 6 bis 15 den Effekt der (Film)dicke der Schicht B. Verglichen mit den Gruppen Nr. 6 bis 10 und 11 bis 15, bei denen die Schicht A bzw. die Schicht B jeweils identische Zusammensetzungen innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung aufweist, ist in den Vergleichsbeispielen 6 und 11 die Dicke der Schicht B geringer als die Untergrenze von 0,5 nm. In den Vergleichsbeispielen 10 und 15 ist die Dicke der Schicht A geringer als das Doppelte der Dicke der Schicht B. Als Folge davon ist in diesen Vergleichsbeispielen verglichen mit den erfindungsgemäßen Beispielen 7 bis 9 oder den erfindungsgemäßen Beispielen 12 bis 14 der gleichen Gruppen, für welche die Dicken der Schicht A und der Schicht B und die Beziehung zwischen der Dicke der Schicht A und der Schicht B die Vorgaben der vorliegenden Erfindung erfüllen, die Härte geringer.
- Die Nr. 16 bis 25 zeigen den Effekt der (Film)dicke der Schicht A. Verglichen mit den Gruppen Nr. 16 bis 20 und 21 bis 25, bei denen die Schicht A bzw. die Schicht B identische Zusammensetzungen innerhalb des Bereichs der vorliegenden Erfindung aufweisen, ist in den Vergleichsbeispielen 16 und 21 die Dicke der Schicht A kleiner als das Doppelte der Dicke der Schicht B. Ferner übersteigt in den Vergleichsbeispielen 20 und 25 die Dicke der Schicht A eine Obergrenze von 200 nm. Als Folge davon ist in diesen Vergleichsbeispielen die Härte geringer als in den erfindungsgemäßen Beispielen 17 bis 19 oder den erfindungsgemäßen Beispielen 22 bis 24 der gleichen Gruppen, für welche die Dicke der Schicht A und die Beziehung zwischen den Dicken der Schicht A und der Schicht B die Vorgaben der vorliegenden Erfindung erfüllen.
- Dies stützt die Vorgaben und bevorzugten Vorgaben für die Dicken der Schicht A und der Schicht B und der Beziehung zwischen den Dicken der Schicht A und der Schicht B.
- Beispiel 1-2
- Als nächstes wurden Schichten A mit verschiedenen Zusammensetzungen gebildet, die Schicht(system)- bzw. Filmhärte wurde untersucht und der Einfluss (Effekt) der Zusammensetzung der Schicht A in der vorliegenden Erfindung auf die Schicht(system)- bzw. Filmhärte wurde bewertet.
- Schicht(systeme/en) bzw. Filme, welche die unterschiedlichen Zusammensetzungen aufweisen, die in der Tabelle 2 gezeigt sind, wurden unter Beschichtungs- bzw. Filmbildungsbedingungen gebildet, die mit denjenigen des Beispiels 1-1 identisch waren. Die Vickers-Härte der gebildeten Schicht(systeme/en) bzw. Filme wurde mit einem Mikro-Vickers-Härtemesssgerät (Messlast 0,245 N (25 gf)) wie im Beispiel 1-1 gemessen. Die Beschichtungs- bzw. Laminierungsabfolge und die Dicken der Schichten A und B wurden auf einer TEM-Querschnittsphotographie verifiziert. Die Zusammensetzung wurde in der Schicht(system)- bzw. Filmtiefenrichtung durch Auger-Elektronenspektroskopie analysiert. Die Tabelle 2 zeigt diese Ergebnisse.
- Gemäß der Tabelle 2 wurde bei den Vergleichsbeispielen 1 bis 6 nur eine einzelne Schicht A bereitgestellt, ohne die Schicht B bereitzustellen. Andererseits war bei Vergleichen, bei denen die Schicht A die gleiche Zusammensetzung aufweist, wie z. B. des Vergleichsbeispiels 1 mit dem erfindungsgemäßen Beispiel 12, des Vergleichsbeispiels 2 mit dem erfindungsgemäßen Beispiel 17, des Vergleichsbeispiels 3 mit dem erfindungsgemäßen Beispiel 13 und des Vergleichsbeispiels 4 mit dem erfindungsgemäßen Beispiel 29 in den erfindungsgemäßen Beispielen die Härte höher als in den entsprechenden Vergleichsbeispielen. Bei einem Vergleich von Vergleichsbeispielen, bei denen die Schicht A TiN war, wie z. B. den Vergleichsbeispielen 6 und 7, wies das Vergleichsbeispiel 6, das eine einzelne Schicht A ohne Schicht B aufwies, eine geringere Härte auf als das Vergleichsbeispiel 7, bei dem die Schicht A und die Schicht B abwechselnd abgeschieden worden sind. Die Ergebnisse der Tabelle 2 bestätigen daher ebenfalls den Effekt des erfindungsgemäßen abwechselnden Abscheidens der Schicht A und der Schicht B.
- Wie es vorstehend beschrieben worden ist, weist die Schicht A in der vorliegenden Erfindung eine Zusammensetzung auf, die durch die Formel 1 dargestellt wird:
(Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc) [worin 0,4 ≤ x ≤ 0,8, 0 ≤ y ≤ 0,6, 0 ≤ a ≤ 0,15, 0 ≤ b ≤ 0,3, 0 ≤ c ≤ 0,1 und M ein oder mehrere Metallelement(e) ist, das bzw. die aus der Gruppe 4A, 5A, 6A und Si ausgewählt ist bzw. sind] - Dabei werden in der Tabelle 2 Beispiele verglichen, welche die gleichen Komponenten aufweisen. Bei (TiAl)N in den Vergleichsbeispielen 8 und 11, bei denen der Al-Gehalt niedriger oder höher ist als der vorgegebene Bereich von 0,4 ≤ x ≤ 0,8, ist die Härte geringer als bei den erfindungsgemäßen Beispielen 9, 10 und 12, bei denen der Al-Gehalt innerhalb des Bereichs liegt.
- Bei (TiAlCr)N im Vergleichsbeispiel 16, bei dem der Al-Gehalt niedriger ist als der vorgegebene Bereich von 0,4 ≤ x ≤ 0,8 und der Cr-Gehalt höher ist als der vorgegebene Bereich von 0 ≤ y ≤ 0,6, ist die Härte geringer als in den erfindungsgemäßen Beispielen 13 bis 15, bei denen der Al-Gehalt x 0,45 bis 0,65 beträgt, was innerhalb des vorstehend genannten Bereichs von 0,4 bis 0,8 und innerhalb des mehr bevorzugten Bereichs von 0,55 bis 0,75 liegt.
- Diese Ergebnisse bestätigen daher die Signifikanz des Al-Gehalts x in der Schicht A gemäß der vorliegenden Erfindung oder die Signifikanz der mehr bevorzugten Vorgabe.
- Bei (TiAl)(BN) im Vergleichsbeispiel 25, bei dem der B-Gehalt höher ist als der vorgegebene Bereich von 0 ≤ a ≤ 0,15, ist die Härte geringer als in den erfindungsgemäßen Beispielen 23 und 24, bei denen der B-Gehalt a innerhalb des vorstehend genannten Bereichs von 0,15 oder weniger und innerhalb des mehr bevorzugten vorgegebenen Bereichs von 0,1 oder weniger liegt.
- Diese Ergebnisse bestätigen daher die Signifikanz des B-Gehalts a in der Schicht A gemäß der vorliegenden Erfindung oder die Signifikanz der mehr bevorzugten Vorgabe.
- Bei (TiAlCr)(CN) im Vergleichsbeispiel 28, bei dem der C-Gehalt höher ist als der vorgegebene Bereich von 0 ≤ b ≤ 0,3, ist die Härte geringer als in den erfindungsgemäßen Beispielen 26 und 27, bei denen der C-Gehalt innerhalb des vorstehend genannten Bereichs von 0,3 oder weniger und innerhalb des mehr bevorzugten vorgegebenen Bereichs von 0,1 oder weniger liegt.
- Diese Ergebnisse bestätigen daher die Signifikanz des C-Gehalts b in der Schicht A gemäß der vorliegenden Erfindung oder die Signifikanz der mehr bevorzugten Vorgabe.
- Bei (TiAlV)(ON) im Vergleichsbeispiel 30, bei dem der O-Gehalt höher ist als der vorgegebene Bereich von 0 ≤ c ≤ 0,1, ist die Härte geringer als in dem erfindungsgemäßen Beispiel 29, bei dem der O-Gehalt innerhalb des vorgegebenen Bereichs von 0,1 oder weniger liegt.
- Diese Ergebnisse bestätigen daher die Signifikanz des O-Gehalts in der Schicht A gemäß der vorliegenden Erfindung.
- Ferner enthält der Film in den erfindungsgemäßen Beispielen 13 bis 15 und 17 bis 22 der Tabelle 2 als Zugabeelement M Cr, Si, Zr, Nb, Ta, V. Bei diesen Elementen M ist die Härte besonders hoch, wenn M Cr, Si oder V ist. Dies bestätigt die Zunahme der Härte aufgrund des Elements M.
- Beispiel 1-3
- Als nächstes wurden Schichten B mit verschiedenen Zusammensetzungen gebildet, die Schicht(system)- bzw. Filmhärte wurde untersucht und der Einfluss (Effekt) der Zusammensetzung der Schicht B in der vorliegenden Erfindung auf die Schicht(system)- bzw. Filmhärte wurde bewertet.
- Schicht(systeme/en) bzw. Filme, welche die unterschiedlichen Zusammensetzungen aufweisen, die in der Tabelle 3 gezeigt sind, wurden unter Beschichtungs- bzw. Filmbildungsbedingungen gebildet, die mit denjenigen des Beispiels 1-1 identisch waren. Die Vickers-Härte der gebildeten Schicht(systeme/en) bzw. Filme wurde wie in den Beispielen 1-1 und 1-2 bewertet. Die Beschichtungs- bzw. Laminierungsabfolge und die Dicken der Schichten A und B wurden auf einer TEM-Querschnittsphotographie verifiziert. Die Zusammensetzung wurde auch in der Schicht(system)- bzw. Filmdickenrichtung durch Auger-Elektronenspektroskopie analysiert. Die Tabellen 3 und 4 (Fortsetzung von Tabelle 3) zeigen diese Ergebnisse.
- In diesem Beispiel wurden die Gleiteigenschaften der Schicht(system) bzw. Films unter Verwendung eines vor und zurück gleitenden Verschleiß- und Reibungsfestigkeitstestgeräts des Kugel-auf-Platte-Typs bewertet. Gleittests wurden unter Verwendung von Lagerstahl (SUJ2, HRC60) mit einem Durchmesser von 9,53 mm als damit eingesetztes Material (Kugel) in einer trockenen Atmosphäre bei einer Gleitgeschwindigkeit von 0,1 m/s, einer Last von 2 N und einer Gleitdistanz von 250 m durchgeführt, und der Reibungskoeffizient (μ) während der Tests wurde bewertet.
- Ferner wurde gemäß dieses Beispiels die Oxidationsbeständigkeit der Schicht(systeme/en) bzw. Filme im Hinblick auf die Oxidationsstarttemperatur bewertet. Insbesondere wurde eine Beschichtungs- bzw. Filmprobe, die in einer Dicke bis zu etwa 3 μm auf einer Platinfolie ausgebildet war, mit einer Geschwindigkeit von 4°C/min unter Verwendung einer Thermowaage in trockener Luft von Raumtemperatur auf 1100°C erhitzt und die Oxidationsstarttemperatur wurde aus der Kurve der Oxidationsgewichtszunahme bestimmt. Die Tabellen 3 und 4 zeigen diese Ergebnisse.
- Gemäß den Tabellen 3 und 4 ist in den Vergleichsbeispielen Nr. 1 bis 6 nur eine einzelne Schicht A ohne Schicht B bereitgestellt. Andererseits ist bei einem Vergleich zwischen dem Vergleichsbeispiel 1 mit den erfindungsgemäßen Beispielen 7 bis 10 oder dem Vergleichsbeispiel 11, einem Vergleich zwischen dem Vergleichsbeispiel 3 mit den erfindungsgemäßen Beispielen 12, 13 und 16 bis 19, und dem Vergleichsbeispiel 4 mit den erfindungsgemäßen Beispielen 25 bis 28 die Härte in diesen erfindungsgemäßen Beispielen höher als in den entsprechenden Vergleichsbeispielen. Die Ergebnisse der Tabellen 3 und 4 bestätigen daher auch den Effekt des abwechselnden Abscheidens der Schicht A und der Schicht B gemäß der vorliegenden Erfindung.
- Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird die Schicht B in der vorliegenden Erfindung aus Verbindungen ausgewählt, die durch die folgenden vier Zusammensetzungsformeln dargestellt werden.
Formel 2: B1-x-yCxNy [worin 0 ≤ x ≤ 0,25 und B/N ≤ 1,5],
Formel 3: Si1-x-yCxNy [worin 0 ≤ x ≤ 0,25 und 0,5 ≤ Si/N ≤ 2,0],
Formel 4: C1-xNx [worin 0 ≤ x ≤ 0,6],
Formel 5: Cu1-y(CxN1-x)y [worin 0 ≤ x ≤ 0,1 und 0 ≤ y ≤ 0,5]. - Dabei werden in den Tabellen 3 und 4 Beispiele verglichen, bei denen die Schicht B die gleichen Komponenten aufweist. Für im Vergleichsbeispiel 11, bei dem der C-Gehalt x höher ist als der vorgegebene Bereich von 0 ≤ x ≤ 0,25, ist die Härte geringer als in den erfindungsgemäßen Beispielen 7 bis 10, bei denen der C-Gehalt innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt. In den Vergleichsbeispielen 14 und 15, bei denen B/N höher ist als der vorgegebene Wert von 1,5 oder weniger, ist die Härte geringer und der Reibungskoeffizient höher als in den erfindungsgemäßen Beispielen 12 und 13, bei denen dieser Wert innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt. Es ist ersichtlich, dass dann, wenn B/N 1,5 oder weniger beträgt, sowohl die Filmhärte als auch der Reibungskoeffizient hoch sind.
- Bei Si1-x-yCxNy im Vergleichsbeispiel 20, bei dem der C-Gehalt x höher ist als der vorgegebene Bereich von 0 ≤ x ≤ 0,25, sind die Härte und die Oxidationsbeständigkeit geringer als in den erfindungsgemäßen Beispielen 16 bis 19, bei denen der C-Gehalt x innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt. Es ist ersichtlich, dass dann, wenn der C-Gehalt x 0,25 oder weniger beträgt, sowohl die Schicht(system)- bzw. Filmhärte als auch die Oxidationsbeständigkeit verbessert werden. Auch im Vergleichsbeispiel 24, bei dem Si/N unterhalb des vorgegebenen Bereichs von 0,5 bis 2,0 liegt, ist die Härte geringer als in den erfindungsgemäßen Beispielen 21 bis 23, bei denen dieser Wert innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt.
- Bei Cu1-y(CxN1-x)y im Vergleichsbeispiel 29, bei dem der Koeffizient y des Verhältnisses von CN zu Cu höher ist als der vorgegebene Bereich von 0 ≤ y ≤ 0,5, ist die Härte geringer als in den erfindungsgemäßen Beispielen 25 bis 28, bei denen der N-Gehalt x innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, dass die Härte hoch ist, wenn der Koeffizient y des Verhältnisses von CN zu Cu innerhalb des Bereichs von 0 bis 0,5 liegt, und dass die Härte hoch ist, wenn der C-Gehalt x innerhalb des Bereichs von 0 ≤ x ≤ 0,1 liegt.
- Bei C1-xNx im Vergleichsbeispiel 34, bei dem der N-Gehalt x höher ist als der vorgegebene Bereich von 0 ≤ x ≤ 0,6, ist die Härte geringer und der Reibungskoeffizient höher als in den erfindungsgemäßen Beispielen 30 bis 33, bei denen der N-Gehalt x innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt. Es ist ersichtlich, dass die Härte hoch ist und der Reibungskoeffizient abnimmt, wenn der N-Gehalt x innerhalb des vorgegebenen Bereichs liegt.
- In allen Beispielen, die in den Tabellen 3 und 4 gezeigt sind, nimmt der Reibungskoeffizient aufgrund der Laminierung ab, wenn die Schicht B vom BCN- oder C-Typ ist und die Oxidationsbeständigkeit nimmt geringfügig zu, wenn sie vom BCN-Typ ist. Wenn sie vom SiCN-Typ ist, variiert die Reibungsfestigkeit kaum, jedoch nimmt die Oxidationsbeständigkeit beträchtlich zu. Wenn sie vom CuCN-Typ ist, nimmt die Härte zu und auch die Oxidationsbeständigkeit nimmt geringfügig zu.
- Diese Ergebnisse bestätigen daher die Signifikanz der vorgegebenen Zusammensetzungen der Schicht B gemäß der vorliegenden Erfindung.
- Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann durch Steuern des erfindungsgemäßen Hartstoff-Schichtsystems bzw. Hartfilms und der Hartstoffschichtsystem- bzw. Hartfilmkristallteilchengröße die Kristallteilchengröße des Hartstoffschichtsystems bzw. Hartfilms mit Steinsalzstruktur feiner gemacht werden, was die Eigenschaften wie z. B. die Hartstoffschichtsystem- bzw. Hartfilm-Verschleißfestigkeit verbessert. Dieses Schichtsystem bzw. Film kann daher als verschleißfestes Schichtsystem bzw. Film in Schneidwerkzeugen aus Thermitstahl oder Schnellarbeitswerkzeugstahl als Substrat oder für gleitende Teile für Fahrzeuge verwendet werden.
- Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Hartstoff-Schichtsystem bzw. laminierten Hartfilm mit überlegener Verschleißfestigkeit und Oxidationsbeständigkeit bereit. Dieses Schichtsystem bzw. Film kann daher als verschleißfestes Schichtsystem bzw. Film in superharten Legierungen, Schneidwerkzeugen aus Thermitstahl oder Schnellarbeitswerkzeugstahl als Substrat oder für gleitende Teile für Fahrzeuge verwendet werden.
Claims (3)
- Hartstoff-Schichtsystem, umfassend abwechselnd abgeschiedene Schichten A und B, wobei • die Schicht A die Zusammensetzung der Formel 1 (Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc) [worin 0,4 ≤ x ≤ 0,8, 0 ≤ y ≤ 0,6, 0 ≤ a ≤ 0,15, 0 ≤ b ≤ 0,3, 0 ≤ c ≤ 0,1 und M ein oder mehrere Metallelement(e), ausgewählt aus der Gruppe 4A, 5A, 6A und Si, ist] aufweist, • die Schicht B eine Zusammensetzung aufweist, die aus einer von Formel 2: B1-x-yCxNy [worin 0 ≤ x ≤ 0,25 und B/N ≤ 1,5], Formel 3: Si1-x-yCxNy [worin 0 ≤ x ≤ 0,25 und 0,5 ≤ Si/N < 2,0], Formel 4: C1-xNx [worin 0 ≤ x ≤ 0,6], Formel 5: Cu1-y(CxN1-x)y [worin 0 ≤ x ≤ 0,1 und 0 ≤ y ≤ 0,5] ausgewählt ist, • sich die Kristallstruktur der Schicht A von der Kristallstruktur der Schicht B unterscheidet, • die Dicke der Schicht A pro Schicht das Zweifache oder mehr der Dicke der Schicht B pro Schicht beträgt, • die Dicke der Schicht B pro Schicht 0,5 nm oder mehr beträgt und • die Dicke der Schicht A pro Schicht 200 nm oder weniger beträgt.
- Hartstoff-Schichtsystem nach Anspruch 1, bei dem die Schicht A die Zusammensetzung (Ti1-x-yAlxMy)(BaCbN1-a-b-cOc) [worin 0,5 ≤ x ≤ 0,8, 0,05 ≤ y ≤ 0,6, 0 ≤ a ≤ 0,15, 0 ≤ b ≤ 0,3, 0 ≤ c ≤ 0,1 und M ein oder mehrere Metallelement(e), ausgewählt aus Cr, V und Si, ist] aufweist.
- Hartstoff-Schichtsystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Schicht A eine kubische Steinsalzstruktur aufweist und die Schicht B eine Kristallstruktur aufweist, die von einer kubischen Steinsalzstruktur verschieden ist.
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